Rätselhaftes Material Mikroskop macht Atom-Bewegungen in Glas sichtbar

Glas ist in der modernen Welt nahezu allgegenwärtig - doch sein Verhalten ist für Physiker noch immer rätselhaft. Jetzt ist es Forschern gelungen, die Bewegung von Atomen in dem Material sichtbar zu machen. Die Aufnahmen könnten klären, was passiert, wenn Glas verbiegt oder bricht.

Corbis

Glas ist ein besonderer und noch immer geheimnisvoller Stoff: Weder richtig fest noch wirklich flüssig. Das Material ist weit verbreitet, doch für Physiker ist es noch immer schwierig nachzuvollziehen, was in seinem Inneren vor sich geht. Denn Glas befindet sich im ständigen Wandel, seine Atome tanzen gewissermaßen.

Physikern der Uni Ulm und der amerikanischen Cornell University ist es nun gelungen, das Verhalten des Materials auf allerkleinster Ebene erkennbar zu machen. Mit einer Art Videoaufnahme konnten sie kleinste Bewegungen der Atome im Glas sichtbar machen. Für das Verständnis von dessen Struktur und Verhaltens ergibt sich dadurch ein neuer Blickwinkel: Eine Messmethode, die helfen könnte, das Zusammenspiel der Atome nachzuvollziehen, schreiben die Forscher um Pinshane Huang im Fachblatt "Science".

Um die Aufnahmen zu erzeugen, beschossen die Physiker die dünnste Glasschicht der Welt, die aus nur einige Atomlagen Siliziumoxid besteht, in kurzen Abständen mit Elektronen. "Es funktioniert vereinfacht gesagt wie ein Diaprojektor - nur mit Elektronen statt Licht", erklärt Simon Kurasch, Mitautor der Studie. "Wir beschießen die Probe und sehen uns an, was an der anderen Seite durchkommt."

Hintereinander gereiht zeigen die Bilder die tanzenden Atome und die Umstrukturierungsprozesse, die im Glas stattfinden, wenn es beispielsweise Hitze ausgesetzt würde oder unter Spannung steht. Wie sich Glas dabei verhält, hat direkt mit seinem Aufbau zu tun. "Glas ist eine unterkühlte Flüssigkeit, die zu Kristallen werden will", erklärt Kurasch. Auch daher ist der Werkstoff für Forscher besonders interessant. Denn die Ergebnisse lassen sich womöglich auch auf andere Materialien übertragen. Zur Erforschung neuer Werkstoffe, aber auch für die Erkennung von Schwachstellen könnten die Bilder Anhaltspunkte liefern.

"Der direkte Blick auf einzelne Atome gibt uns eine einmalige Möglichkeit, Modelle und Simulationen zur Dynamik der Atome direkt zu überprüfen", erklärt Kurasch. "Mit unserer neuen Methode lässt sich zukünftig womöglich live beobachten, wie sich die atomare Struktur von Glas unter Beeinflussung verändert."

Bisherige Modelle erlaubten zwar, die Eigenschaften von Glas oder die Dynamik anderer Atome beispielsweise mit kleinen, sich bewegenden Plastikkügelchen zu simulieren. Aber die Auflösung der neuen Beobachtungsmethode der Ulmer Forscher ist größer. "Unsere Methode", sagt Kursch, "ist realitätsnäher und 1000- bis 10.000-mal so genau wie Simulationen mit kleinen Kunststoffkügelchen von einigen Mikrometern."

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insgesamt 9 Beiträge
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rrewrek 11.10.2013
1. So neu ist das doch nicht!
Hat man uns schon 1964 im Physikunterricht vorgeführt, den Tanz der Atome. In einer großen Glühbirne (natürlich speziell und zu diesem Zweck angefertigt) war der Glühfaden so installiert, dass ein einzelnes Kristall seine Spitze bildete. Das "Haupt" der Glühbirne war beschichtet (wie ein Fersehschirm damaliger Zeit, als noch der Kathodenstrahl die Bilder projezierte) und wenn man die "Lampe" einschaltete, dann konnte man die Atome tanzen sehen. Alter Schuh also!
cassandros 11.10.2013
2. Können Sie mein Glas noch mal nachfüllen? Es tanzt noch nichts.
Zitat von rrewrekHat man uns schon 1964 im Physikunterricht vorgeführt, den Tanz der Atome. In einer großen Glühbirne (natürlich speziell und zu diesem Zweck angefertigt) war der Glühfaden so installiert, dass ein einzelnes Kristall seine Spitze bildete. Das "Haupt" der Glühbirne war beschichtet (wie ein Fersehschirm damaliger Zeit, als noch der Kathodenstrahl die Bilder projezierte) und wenn man die "Lampe" einschaltete, dann konnte man die Atome tanzen sehen. Alter Schuh also!
1964 habt ihr die Atome tanzen sehen? Mit dem nackten Auge? Was denn das für eine Wunderschule? "Hogwoods" (oder wie heißt diese Zauberschule aus dem Märchenfilm noch gleich)? Oder habt ihr auf der Klassenfete ein bißchen zuviel dem alkoholischen Gärsaft gefrönt? Danach sieht man so manchen tanzen, was sich in Wirklichkeit gar nicht bewegt. Nichts für ungut, hier geht es um etwas gänzlich anderes. Ich empfehle, Anstrengungen zu unternehmen, den Sachverhalt besser zu verstehen.
sample-d 11.10.2013
3.
Zitat von cassandros1964 habt ihr die Atome tanzen sehen? Mit dem nackten Auge? Was denn das für eine Wunderschule? "Hogwoods" (oder wie heißt diese Zauberschule aus dem Märchenfilm noch gleich)? Oder habt ihr auf der Klassenfete ein bißchen zuviel dem alkoholischen Gärsaft gefrönt? Danach sieht man so manchen tanzen, was sich in Wirklichkeit gar nicht bewegt. Nichts für ungut, hier geht es um etwas gänzlich anderes. Ich empfehle, Anstrengungen zu unternehmen, den Sachverhalt besser zu verstehen.
was soll denn hieran 'gänzlich anders' sein ?!? beides zeigt Atombewegungen..
mindphuk 12.10.2013
4. "Glas-Atome"
Wieder mal typisch unwissenschaftliches Geschreibsel von Spiegel. "Glas-Atome" gibt es nicht, Glas ist ein Stoffgemisch aus - je nach Glasart - verschiedenen Verbindungen. In Glas finden sich Silizium-Atome, Sauerstoff und Metalle sowie eventuell weitere Nichtmetalle. Zu Glas mit den speziellen Eigenschaften wird es nicht durch die chemische Verbindung oder seine Elemente, sondern allein durch seine Struktur, die amorph ist. Im Gegensatz zu Kristallen, in welchen die Moleküle streng geordnet sind, ist Glas wie eine feste Schmelze: Die Moleküle sind chaotisch angeordnet. In seiner Struktur entspricht es also mehr einer Flüssigkeit als einem Feststoff, weshalb die Bewegung der einzelnen Atome und Moleküle auch so interessant aber auch schwer zu analysieren sind. Atome jedenfalls, kann es nicht von chemischen Verbindungen geben, sondern sind immer Elemente! Mir ist klar, dass sicherlich die Atome der Verbindungen gemeint sind, aber es wurde nicht so geschrieben, weshalb der Artikel (wiedermal) nicht nur unwissenschaftlich ist, sondern auch falsche Vorstellungen erzeugt.
_thilo_ 14.10.2013
5. Feldemissionsmikroskop
-> cassandros: Erst Recherchieren, dann schreiben .. -> mindphuk: Danke. -> rerek hat (beinahe) recht. -> siehe Wikipedia "Feldemissionsmikroskop". Das hat damals ganz wesentlich dazu beigetragen die atomaren Strukturen eines Materials als "wirklich real" anzuerkennen. Allerdings liefert das Feldemissionsmikroskop nur eine Art Schatten der Elektronenhüllen weniger Atome an der äussersten Spitze eines als Kathode eingesetzten Metalls. Kein Vergleich zu den hier gezeigten Bildern eines modernen Elektronenmikroskops ...
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