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Das dünnste Glas der Welt

Ein Defekt ließ US-Wissenschaftler statt Graphen eine dünne Schicht Quarzglas erzeugen. Ulmer Forscher warfen erstmals einen Blick auf die Atomstruktur

Das weltweit dünnste Glas der Welt entstand zwar schon Anfang 2012. Doch dieser Tage wurde es in das Guinness-Buch der Weltrekorde 2014 aufgenommen. Am Anfang sah es allerdings gar nicht nach einem Rekord aus, sondern nach einer unerfreulichen Laborpanne. Die Forscher David Muller vom Kavli Institute der Cornell University in New York und seine Kollegen wollten eigentlich Graphen, eine besondere Form reinen Kohlenstoffs, herstellen. Dazu beschichteten sie Kupferfolie in einem Quarzofen mit Kohlenstoff. Als sie das Ganze wieder herausholten, bemerkten sie eine seltsame Veränderung auf dem Graphen. Bei näherer Untersuchung stellte sich heraus, dass es sich um Glas handelte: Es hatte sich eine nur zwei Atome dicke Glasschicht auf dem Graphen gebildet. Ein so dünnes Glas hatte zuvor noch niemand hergestellt.

Der normalerweise unter Luftabschluss funktionierende Ofen zur Graphenherstellung muss ein winziges Leck gehabt haben. Graphen, ein Werkstoff der Nanotechnologie, besteht aus einem quasi zweidimensionalen Gitter ringförmig vernetzter Kohlenstoffatome. Infolge des Lecks wurde auf dem Kupfer nicht nur Kohlenstoff abgelagert, sondern auch Siliziumoxid (Quarz). Glücklicherweise warfen Muller und seine Doktorandin Pinshane Huang die Verunreinigung nicht weg, sondern analysierten sie. Das Ergebnis zeigte, dass es sich um eine Verbindung von Silizium und Sauerstoff handelt: Quarzglas. Offenbar kam es infolge des Zutritts von Luft in den Quarzofen dazu, dass sich auf dem Graphen die nur zwei Atomlagen dicke Glasschicht ablagerte.

Glas fasziniert die Wissenschaftler schon seit langer Zeit, denn es hat Eigenschaften eines Feststoffes und einer Flüssigkeit. Es ist fest, hat aber auf atomarer Ebene nicht dieselben Eigenschaften wie ein Festkörper: Es ist flüssig, denn mit der Zeit fließt Glas durch die Schwerkraft in Richtung Erde. Dieses Fließen ist ein sehr langsam verlaufender Prozess, den man zum Beispiel an sehr alten Kirchenfenstern erkennen kann. Dort sieht man mit dem bloßen Auge, das die alten bunten Fenstergläser oben dünner als unten sind. Das Glas verhält sich wie eine erstarrte Schmelze, in der die Atome chaotisch angeordnet sind - wie genau, war aber bislang unklar. Diese feste Flüssigkeit gab den Forschern lange Zeit Rätsel auf, denn seine atomare Struktur war bislang ungeklärt. Seit 80 Jahren versuchen Wissenschaftler, die Struktur von Glas zu klären. Durch den Zufallsfund konnte auch diese fundamentale Frage geklärt werden.

Bereits im Jahr 1932 postulierte der Physiker William Zachariasen die Struktur des Glases. Er war aufgrund von Untersuchungen mit Röntgenstrahlen und mathematischen Berechnungen zu dem Schluss gekommen, dass Glas nur dann stabil sein kann, wenn die Atome darin ein Netzwerk bilden. Dieses Netzwerk hat jedoch keine gleichmäßige Anordnung, wie man sie in einem Kristall findet, sondern eine teilweise unregelmäßige Struktur. Genau diese Unregelmäßigkeit macht es den herkömmlichen Untersuchungsmethoden unmöglich, die Struktur zu finden. Bei der sogenannten Kristallstrukturanalyse werden Kristalle mittels Röntgenstrahlen durchleuchtet. Hat der Kristall eine regelmäßige Struktur, ergibt sich beim Durchleuchten ein charakteristisches Beugungsmuster. Das heißt: Die regelmäßig angeordneten Atome lenken die Röntgenstrahlen in bestimmte Richtungen ab, sodass ein Muster der abgelenkten Röntgenstrahlung zu erkennen ist. Über dieses Muster lässt sich die atomare Struktur bestimmen. Durchdringt ein Röntgenstrahl ein Objekt mit starken Unregelmäßigkeiten, verwischt sich dieses Muster.

Durch das neue superdünne Glas bot sich den Forschern nun erstmals die Möglichkeit, die Anordnung der Atome im Glas abzubilden. Denn bei einer Dicke von nur zwei Atomlagen gibt die Kristallstrukturanalyse eine klare Antwort. Statt Röntgenstrahlen nutzte man das derzeit am höchsten auflösende Transmissions-Elektronenmikroskop an der Universität Ulm. Dabei konnte der Ulmer Doktorand Simon Kurasch erstmals zeigen, dass sich im Glas größere und kleinere Ringstrukturen unregelmäßig abwechseln. Die Forscher konnten sogar beobachten, wie sich im Schmelzvorgang Felder aus Fünf- und Siebenecken zu Sechsecken reorganisierten.

»Das ist das erste Mal, dass ein Mensch direkt sehen konnte, wie die Atome im Glas angeordnet sind«, erklärt Muller. »Wenn ich später einmal auf meine Karriere zurückblicke, wird dies die Arbeit sein, auf die ich am meisten stolz sein werde.« Die postulierte Struktur von Zachariasen lässt sich somit 81 Jahre später bestätigen.

Nach Ansicht der Forscher könnte ihr Zufallsfund aber auch ganz neue praktische Anwendungen haben. Die einfache Herstellung einer stabilen Struktur aus nur zwei Monolagen ist ein interessantes Material im zukunftsträchtigen Bereich der Nanotechnologie. So könnte ein solches quasi zweidimensionales Glas in Kombination mit Graphen beispielsweise in Transistoren eingesetzt werden oder die Leistung von Prozessoren in Computern und Smartphones verbessern. Erst die Zeit wird uns mitteilen, wofür dieses neuartige Material Anwendung finden wird. Eines ist jedoch heute schon sicher: Neben einem Eintrag im Guinness-Buch der Rekorde wird es auch in zukünftigen Lehrbüchern der Physik und Chemie einen Eintrag finden.

An dem Forschungsprojekt sind neben der Cornell University im US-Bundesstaat New York und der Ulmer Uni auch das Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperphysik sowie die Universitäten Wien und Helsinki beteiligt.

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