RM Rudolf Müller
Glas - gefrorene Flüssigkeit?

Mysteriöses Material: Manche Wissenschaftler beschreiben Glas als gefrorene Flüssigkeit. Foto: Günther Gumhold / www.pixelio.de

Bauelemente
10. Juni 2014 | Artikel teilen Artikel teilen

Erklärt: Was genau ist Glas?

Verglaste Fenster haben sich in Europa erst seit dem Mittelalter durchgesetzt. Dabei ist der Werkstoff deutlich älter. Schon im zweiten Jahrtausend vor Christus haben die alten Ägypter Glas zu Gefäßen verarbeitet. Doch trotz dieser langen Geschichte haftet dem Material nach wie vor etwas Mysteriöses an, denn bis heute sind sich die Wissenschaftler nicht einig, was genau Glas eigentlich ist. Das Material ist nämlich einerseits fest, verfügt aber andererseits über Eigenschaften, die eher typisch für Flüssigkeiten sind.

Chemisch betrachtet hat Glas einen Teilchenaufbau, der irgendwo zwischen dem festen und flüssigen Aggregatzustand liegt. Vom deutsch-baltischen Chemiker Gustav Tamman stammt folgende Definition aus dem Jahr 1933: “Der Glaszustand ist der eingefrorene Zustand einer unterkühlten Flüssigkeit, die ohne zu kristallisieren erstarrt ist”. Glas als eingefrorene Flüssigkeit? Klingt irgendwie seltsam, oder? Es wird allerdings verständlicher, wenn man sich die Herstellung von Glas genauer anschaut.

Woraus besteht Glas?

Es gibt heute hunderte verschiedener Glassorten, aber sie entstehen alle, indem man Feststoffe zunächst bei Temperaturen von etwa 1.400 Grad Celsius schmilzt und anschließend wieder sehr schnell abkühlt. Traditionell werden dafür mineralische Rohstoffe verwendet. Normales farbloses Fensterglas besteht zu rund 70 % aus Quarzsand (Siliziumdioxid) sowie aus Soda (13 %) und Kalk (10 %). Hinzu kommen geringe Anteile an Dolomit, Feldspat und Pottasche (siehe Fachwissenbeitrag Fensterglas). Dabei wirkt der Quarzsand als eigentlicher Glasbildner, während die übrigen Bestandteile Funktionen als Schmelzbeschleuniger, Flussmittel oder Stabilisatoren übernehmen.

Bei all diesen Zutaten handelt es sich um Gesteine beziehungsweise um Gesteinsbestandteile und damit um anorganische Festkörper. Diese haben die Eigenschaft, dass sie auf Teilchenebene eine Kristallstruktur haben. Sie bestehen also aus Atomen oder Molekülen, die in einer regelmäßigen, festen Struktur angeordnet sind. Werden diese Feststoffe nun geschmolzen, dann bricht die Kristallstruktur auf und es entsteht eine flüssige Schmelze. Damit ist ein so genanntes amorphes Material entstanden (griechisch “amorph” = “ohne Gestalt”). Die Moleküle der Schmelze haben – wie alle Flüssigkeiten – eben keine feste Kristallstruktur, sondern bilden ein eher chaotisches, unregelmäßiges Muster aus.

Übrigens gibt es auch natürliches Glas, das also nicht vom Menschen produziert wurde. Es entsteht aus Sanden, die durch Naturereignisse wie Vulkanausbrüche, Blitzeinschläge oder Meteoriteneinschläge geschmolzen wurden. So ist Bimsstein zum Beispiel vulkanischen Ursprungs. Die ersten Gläser, die der Mensch zum Bau von Werkzeugen verwendet hat, waren wahrscheinlich solche natürlichen Gläser.

Amorpher Feststoff

Fensterglas

Fensterglas wird hauptsächlich aus Quarzsand hergestellt. Foto: Andreas Hermsdorf / www.pixelio.de

Das Erstaunliche am Prozess der Glasherstellung ist aber nicht das Schmelzen der Rohstoffe, sondern das, was passiert, wenn man die Schmelze sehr schnell wieder abkühlt. Aus Quarzsand wird dann Quarzglas. Das fühlt sich zwar fest an, ist aber chemisch betrachtet ein amorphes Material – es ähnelt also von seiner Teilchenstruktur einer Flüssigkeit! Man muss sich das etwa so vorstellen: Wenn die Gesteinsschmelze erstarrt, beginnt sie zwar wieder eine Kristallstruktur auszubilden, aber diese Kristallisation wird nicht abgeschlossen, weil der Erstarrungsprozess einfach zu schnell verläuft. Glas ist also fest, aber die Glas-Atome beziehungsweise -Moleküle sind untereinander nicht in einer regelmäßigen Kristallstruktur angeordnet. Insofern bringt es die oben genannte Definition von Glas als “eingefrorener Flüssigkeit” eigentlich ganz gut auf den Punkt. Etwas lapidar könnte man auch sagen: Glas ist schockgefrostete Gesteinsschmelze.

Manche Wissenschaftler bezeichnen Glas sogar ausdrücklich als Flüssigkeit und behaupten, dass das Material “fließen” würde. In der Welt der Mikroteilchen mag das auch stimmen, aber um Missverständnissen vorzubeugen: Man kann in Glas keine fließenden Bewegungen wahrnehmen, egal wie lange man es anstarrt. Die Wissenschaftler meinen mit dem Fließen auch etwas anderes: Die Glasmoleküle bewegen sich in einem sehr langsamen Tempo hin zu einem geordneten kristallinen Zustand. Das geht aber wirklich so langsam, dass wir es weder sehen können noch jemals erleben werden, das ein Stück Glas komplett auskristallisiert ist. Dann wäre es zudem auch kein Glas mehr.

Alternative Glasarten

Übrigens kann man Glas nicht nur aus Quarzsand gewinnen. Im Gegenteil: Theoretisch lässt sich jeder anorganische Stoff in Glas verwandeln, wenn man es schafft, ihn zu schmelzen und dann sehr schnell wieder abzukühlen. Die Forscher sind diesbezüglich auch durchaus experimentierfreudig. So werden zum Beispiel auch Kunststoffe in den Glaszustand versetzt. Das bekannteste Beispiel dafür ist Plexiglas, das sich dadurch auszeichnet, dass es fester ist als herkömmliches Glas, zugleich aber weniger wiegt und leichter verformbar ist.

In den letzten Jahrzehnten werden zudem immer häufiger “metallische Gläser” entwickelt. Das sind neuartige Werkstoffe, die durch Schmelzen und schnelles Abkühlen von Metallen entstehen. Diese Stoffe haben gegenüber herkömmlichen Metallen oft den Vorteil, dass sie schon bei niedrigen Temperaturen verformbar, zugleich aber härter und weniger rostanfällig sind. Dafür sind sie in der Regel aber spröder und brüchiger. Optisch unterscheiden sie sich übrigens nicht von herkömmlichen Metallen – sie sind also auch nicht durchsichtig.



Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: rgrimm1968@aol.com

 

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