Zwei Forschergruppen ist es endlich gelungen, die Struktur von Glas zu entschlüsseln.
„DAS GRÖSSTE UNGELÖSTE Problem der Festkörperphysik ist wohl die Theorie der Natur von Glas”, schrieb der Physik-Nobelpreisträger Philip Anderson 1995 in der Fachzeitschrift Science. Glas ist zwar einer der wichtigsten Werkstoffe überhaupt, doch über seine innere Struktur war bislang nur überraschend wenig bekannt.
Das Problem: Glas ist ein amorpher Feststoff – eine Flüssigkeit, deren Atome sozusagen in der Bewegung eingefroren sind. Sie bilden ein ungeordnetes, zufälliges Muster. Welche Strukturen nach dem Erstarren von flüssigem Glas entstehen, lässt sich mit klassischen Verfahren wie der Röntgenbeugung nicht herausfinden. Auch moderne Messverfahren, die einzelne Atome sichtbar machen – zum Beispiel die Rasterkraft- oder die Transmissions-Elektronenmikroskopie – versagten bisher bei Glas.
Doch nun haben gleich zwei Forschergruppen unabhängig voneinander das Rätsel gelöst – durch geniale Vereinfachung: Beide Gruppen – Forscher vom Fritz-Haber-Institut in Berlin und ein internationales Team um die Kristallografin Ute Kaiser von der Universität Ulm – untersuchten eine Schicht aus nur zwei Atomlagen, einen zweidimensionalen Glasfilm. Die Forscher sind überzeugt, dass ihre Entdeckung eine neue Ära einleitet. „Man kann die Eigenschaften von Glas in Zukunft gezielt verändern”, sagt Markus Heyde vom Berliner Team. „Daraus wird ein völlig neues Forschungsfeld entstehen”, nimmt die Ulmerin Ute Kaiser an.
Bereits seit den 1930er-Jahren war klar, dass reine Silikatgläser die gleichen Grundbausteine besitzen wie ein hoch geordneter Quarzkristall, nämlich Tetraeder aus den Elementen Silizium und Sauerstoff. Im Zentrum der vierseitigen Pyramiden befindet sich stets ein Silizium-Atom, an jeder Ecke ein Sauerstoff-Atom. Zwei Silizium-Atome sind jeweils über ein Sauerstoff-Atom miteinander verbunden. Wie die Tetraeder angeordnet sind, war jedoch unklar. Die meisten Forscher nahmen an, dass sie ein geschlossenes Netz aus unterschiedlich großen Zellen bilden.
ZACHARIASENS VISION
Um das Prinzip zu veranschaulichen, hatte der norwegisch-amerikanische Physiker William Zachariasen 1932 ein zweidimensionales Bild entwickelt, das seither in keinem Lehrbuch fehlt. Sein 2D-Glas erinnert an Schaum von Seifenblasen, während ein 2D-Quarzkristall einem sechseckigen Wabenmuster ähnelt. Dieses Modell wurde von den meisten Forschern akzeptiert – doch ob die Anordnung der Atome in Glas tatsächlich dem Modell entspricht, war unklar. „Seit 80 Jahren stritt man darüber, ob die Struktur nicht doch eine gewisse Periodizität aufweist, ob es teilkristalline Bereiche gibt, und wie viele Atome die Ringe des Netzwerks enthalten”, sagt Markus Heyde.
Am Fritz-Haber-Institut in Berlin arbeiten Forscher seit 20 Jahren daran, in Vakuumkammern bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt Oxidfilme – darunter auch Silikatfilme – aus ein oder zwei Atomlagen auf Metallträgern abzuscheiden. „Man muss sich das ähnlich vorstellen wie Butter auf einer Brotstulle”, sagt Heyde. 2010 schaffte es das Team erstmals, amorphes Silikat als Doppellage herzustellen. Die Atome liegen in beiden Schichten deckungsgleich übereinander. Es handelt sich also um ein zweidimensionales Glas.
Mit dem Rastertunnel- und dem Rasterkraftmikroskop tasteten die Forscher um Heyde dieses 2D-Glas Atom für Atom ab. „Wir haben erstmals direkt beobachtet, wie die Struktur aussieht und welche Muster auftreten”, sagt der Chemiker. Das Ergebnis: Glas sieht wirklich so aus wie in William Zachariasens Modell. Die Berliner Forscher ermittelten unter anderem, dass die Ringe aus vier bis neun Silizium-Atomen bestehen, wobei die besonders stabilen Sechserringe am häufigsten auftreten.
Praktisch zur gleichen Zeit verfügte auch das Wissenschaftlerteam von der Universität Ulm über einen zweidimensionalen Glasfilm – allerdings durch Zufall. „Wir haben eigentlich Graphen untersucht, also eine Monolage von Graphit, die unsere Kollegen am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart hergestellt hatten”, berichtet die Leiterin Ute Kaiser. „Wir stellten bei Messungen mit dem Transmissions-Elektronenmikroskop überrascht fest, dass sich auf einer Graphenprobe eine weitere Struktur befand.” Erst nach mühsamer Analyse fanden die Forscher heraus, dass auf dem Graphen eine hauchdünne Schicht aus zweidimensionalem Glas haftete. Wahrscheinlich war es durch einen Defekt in einer Anlage zur chemischen Gasphasenabscheidung entstanden. „Es war spannend wie ein Krimi, das unbekannte Material zu charakterisieren”, berichtet Ute Kaiser.
Das Ergebnis war das gleiche wie bei den Berliner Forschern: „ Unser Resultat stimmt eins zu eins mit dem Modell von Zachariasen überein”, sagt sie. Die beiden Teams sind überzeugt, dass die ermittelten Strukturdaten repräsentativ für das dreidimensionale, amorphe Netzwerk in normalem Glas sind.
Abgesehen von der Freude, ein langjähriges Rätsel aufgeklärt zu haben, sehen die Forscher interessante Anwendungsmöglichkeiten für 2D-Glasfilme. Heyde und seine Kollegen beschäftigen sich mit Katalysatoren auf Silikatbasis, mit deren Hilfe sich Ethylen-Bausteine zu langen Ketten des Kunststoffs Polyethylen verbinden lassen. Das Ziel ist, die Ausbeute des Prozesses zu erhöhen.
PECH: DIE ANLAGE IST REPARIERT
Eine wichtige Voraussetzung für neue Anwendungen wäre es, dass sich die hauchdünnen Schichten vom Trägermaterial ablösen lassen – was derzeit noch nicht funktioniert. Die Ulmer Gruppe denkt an den Einsatz in Transistoren, hat aber mit einem Problem zu kämpfen: Die Anlage, die ihnen den Zufallsfund beschert hatte, wurde in der Zwischenzeit erneuert. Trotz umfangreicher Bemühungen ist es seitdem nicht mehr gelungen, weitere Graphen-Glas-Lagen herzustellen.
Ungeachtet dessen ist das Interesse für das neue Material enorm. In Berlin hat das Team um Heyde damit begonnen, die Eigenschaften der Glasfilme gezielt einzustellen. So haben die Wissenschaftler Proben hergestellt, in denen kristallines und amorphes Silikat aneinander stoßen. Ähnliche Materialgrenzflächen spielen in der Halbleiterindustrie eine große Rolle, bei mikroelektronischen Bauelementen. Womöglich steht dem vertrauten Werkstoff Glas jetzt eine zweite Karriere bevor. ■
von Ute Kehse
