Thema des Monats November: Durchbruch in der Glasentwicklung gelungen

Amerikanische Wissenschaftler haben eine neuartige Technologie entwickelt, mit der zum ersten Mal größere Mengen Glas aus Aluminium hergestellt werden können. Anatoly Rosenflanz und Kollegen von 3M in Minnesota benutzten eine Flammspray-Technologie um Aluminium (Aluminiumoxid) mit seltene Erdenoxide zu verschmelzen und produzierten so ein hartes Glas mit hervorragenden optischen Eigenschaften. Die Methode vermeidet viele der Probleme die man bei der herkömmlichen Glasherstellung antrifft und kann, so sagen die Wissenschaftler, auch auf andere Oxide ausgeweitet werden. (A Rosenflanz et al. 2004 Nature 430 761).

Glas wird geformt, wenn ein geschmolzenes Material so schnell abgekühlt wird, dass die einzelnen Atome keine Zeit haben sich selbst in einem geordneten Netz anzuordnen. Trotzdem ist es schwierig, aus den meisten Materialien Glas herzustellen, da sie bei über 10 Millionen Grad pro Sekunde gekühlt - oder besser abgeschreckt - werden müssen.

In der Glasherstellung wird weitestgehend Quarz verwendet, weil hier die Abschreckungsrate wesentlich geringer ist, aber Forscher möchten auch gerne Glas aus Aluminium herstellen da es wesentlich bessere mechanische und optische Eigenschaften bietet. Aluminium kann Glas bilden, wenn es mit Kalzium oder Oxiden aus seltenen Erden legiert wird, aber die hierfür erforderliche Abschreckungsrate kann 1000° pro Sekunde erreichen, was es so schwierig macht, größere Mengen herzustellen.

Rosenflanz und seine Kollegen fingen damit an, dass sie ca. 80 Mol% pulverisiertes Aluminium mit Pulvern aus seltene Erdenoxide - darunter Lanthan-, Gadolinium- und Yttrium vermischten. Danach füllten sie dieses Pulver in eine Hochtemperatur- Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme um geschmolzene Partikel herzustellen, die dann in Wasser abgeschreckt wurden. Die so entstandenen Glasperlen, die einen Durchmesser von weniger als 140 Mikron hatten, wurden dann bei etwa 1000° hitzebehandelt bzw. gesintert. So entstanden große Glasproben, in denen nanokristalline aluminiumreiche Phasen innerhalb einer glasartigen Matrix verteilt waren. Diese neue Methode kommt ohne Druckausübung von 1 Gigapascal oder mehr aus, die bei den bisher verwendeten Methoden erforderlich war.

Die Wissenschaftler von 3M charakterisierten die Gläser mittels optischer Mikroskope, Elektronenmikroskope, Röntgenbeugung und thermischer Analyse; sie testeten die Stärke des Materials mittels Härte- und Bruchzähigkeitstest. Sie befanden ihre Muster als wesentlich härter als herkömmliche Gläser auf Silikatbasis, und stellten fest, dass sie fast so hart waren wie reines polykristallines Aluminium.

Darüberhinaus waren über 95% der Glasproben transparent und hatten vielversprechende optische Eigenschaften. Zum Beispiel zeigten voll kristallisierte Keramiken aus Aluminium und seltene Erdenoxide einen sehr hohen Brechungskoeffizienten, wenn die Korngröße unterhalb einer bestimmten Größe blieb.



Foto: Proben des Glases aus Aluminium/Seltene Erden Oxide
a-e, Optische Photografien der Proben: a, b, ohne Dotiersubstanzen; c, 5wt% Nd2O3; d, 5wt% Eu2O3; e, 5wt% Er2O3 (Foto: A Rosenflanz et al. 2004 Nature 430 761)

Quelle: OGIS GmbH, glassglobal.com in Zusammenarbeit mit: PhysicsWeb Contact: Belle Dumé