Glas
Aus Umweltglossar
Glas (von germanisch glasa „das Glänzende, Schimmernde“, auch für „Bernstein“) ist ein amorpher, nichtkristalliner Feststoff. Materialien, die man im Alltagsleben als Glas bezeichnet (zum Beispiel Trink- und Fenstergläser, Fernsehscheiben und Glühlampen) sind nur ein Ausschnitt aus der Vielfalt der Gläser.
Gewöhnlich wird Glas durch Schmelzen erzeugt, die Bildung von Glas ist aber auch durch die Erwärmung von Sol-Gel möglich und durch Schockwellen. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist schnell zu fest, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Der Transformationsbereich, das ist der Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600 °C.
Trotz des nichtdefinierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper. Auch wenn es sich unter langzeitiger Krafteinwirkung verformte, dürfte man es nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird als Kriechen bezeichnet. Berichte von fließenden Kirchenfenstern lassen sich nicht bestätigen und die Idee des flüssigen Glases scheint auf eine Falschübersetzung zurückzugehen.
Obwohl Glas zu den ältesten Werkstoffen der Menschheit gehört, besteht noch Unklarheit in vielen Fragen des atomaren Aufbaus und seiner Struktur. Die mittlerweile allgemein anerkannte Deutung der Struktur ist die Netzwerkhypothese, die von Zachariasen 1932 aufgestellt wurde. Diese besagt, dass im Glas grundsätzlich dieselben Bindungszustände wie im Kristall vorliegen. Bei silikatischen Gläsern also in Form von SiO4-Tetraedern.
Wie die zweidimensionalen Abbildungen des Quarzes und des Quarzglases zeigen, liegt der Unterschied in der Regelmäßigkeit des Gefüges – hier Gitter und dort ein Netzwerk. Die vierte Oxidbindung, die in die dritte Dimension zeigt, ist zur besseren Anschaulichkeit nicht dargestellt. Die Bindungswinkel und Abstände im Glas sind nicht regelmäßig und die Tetraeder sind verzerrt. Der Vergleich zeigt, dass Glas ausschließlich über eine Nahordnung in Form der Tetraeder verfügt, jedoch keine kristalline Fernordnung aufweist. Diese fehlende Fernordnung ist auch verantwortlich für die sehr schwere Analyse der Glasstruktur. Insbesondere die Analyse in mittlerer Reichweite, also die Verbindungen mehrerer Grundformen (hier den Tetraedern), ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird zu den heutigen größten Problemen der Physik gezählt.
Das Material, das diese Grundstruktur des Glases bestimmt, nennt man Netzwerkbildner. Neben dem erwähnten Siliciumoxid können auch andere Stoffe wie Boroxid und nichtoxidische wie Arsensulfid Netzwerkbildner sein. Einkomponentige Gläser sind allerdings die Ausnahme und Quarzglas ist das einzige wirtschaftlich bedeutende. Weitere Stoffe binden sich anders in das Netzwerkgefüge ein. Hier werden Netzwerkwandler und Stabilisatoren unterschieden.
Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Für gewöhnliches Gebrauchsglas – Kalk-Alkali-Glas (gebäuchlicher ist allerdings der engere Terminus Kalk-Natron-Glas) – sind dieses Natrium- bzw. Kaliumoxid und Calciumoxid. Diese Netzwerkwandler reißen die Netzwerkstruktur auf. Der Brückensauerstoff der Siliziumoxid-Tetraeder wird gesprengt. Anstelle der festen Atombindung tritt eine schwächere Ionenbindung des Natrons mit dem Sauerstoff.
Zwischenoxide wie Aluminiumoxid und Bleioxid können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren. Allerdings sind sie nicht alleine zur Glasbildung fähig.
