Von der Strukturanalyse zur Glastechnologie

Prof. Dr. Reinhard Conradt

Welcher prinzipielle Zusammenhang besteht zwischen der chemischen Zusammensetzung eines Glases und seinen Eigenschaften? Diese Frage hat Wissenschaftler und Technologen seit Beginn der systematischen Glasforschung im 19. Jahrhundert intensiv beschäftigt. Otto SCHOTT erkannte früh die Notwendigkeit, die Frage von einem sehr weit gefassten wissenschaftlichen Konzept her anzugehen:

„Ein allgemein planmäßiges, die ganze anorganische Natur umfassendes Studium der Schmelzerscheinungen ist noch nicht versucht worden; es fehlt uns daher auf diesem Gebiete noch vieles, ehe wir dazu gelangt sein werden, mit Sicherheit auf Grund fester Gesetze die Reaktionen bestimmen zu können, wie dies in wässrigen Lösungsmitteln bei gewöhnlicher Temperatur der Fall ist.“
Otto SCHOTT, 1880, zitiert nach: W. Vogel, Glaschemie (Springer Verlag, Berlin 1992)


Die Natur des Glases, seine Transparenz, Homogenität und Isotropie signalisiert zwar besondere Einfachheit – aber das Gegenteil ist der Fall. Während das Anliegen von Otto SCHOTT im Bereich der metallischen Werkstoffe heute weitgehend umgesetzt ist, hat sich das Glas als „Sonderzustand der Materie“ einer grundlegenderen Quantifizierung immer wieder entzogen. Bei der Ableitung von Glaseigenschaften aus der Zusammensetzung behilft man sich mit der intensiven Sammlung experimenteller Daten, man verknüpft, wertet statistisch aus und inter- bzw. extrapoliert dann ins unbekannte Terrain.

Thermodynamik als neue Methode

In den letzten Jahren zeichnete sich eine neue, grundlegende Strategie ab. Es wurde darauf verzichtet, die Eigenschaften des Glases vor allem über seine Struktur zu verstehen – ein Weg, der trotz hohen Forschungsaufwandes bisher nur zu erklärenden, qualitativen Aussagen geführt hat. Stattdessen wurden die Methoden der Thermodynamik als komplementäre Sichtweise herangezogen und konsequent auf die Gegebenheiten bei vielkomponentigen Gläsern übertragen. Das ist zwar weniger anschaulich als eine strukturelle Deutung, liefert dafür aber quantitative Aussagen. Das Glas wird über seine Energiedifferenz zu seinem kristallinen Gegenstück (oder Referenzsystem) gleicher chemischer Zusammensetzung beschrieben.

Komplexe Abläufe analysierbar

Dieses Referenzsystem aufzuspüren ist für einkomponentige Gläser (z. B. Kieselglas und Cristobalit) einfach; mit Hilfe geochemischer Methoden gelingt es auch für Gläser mit vielen Komponenten. Damit ist im Prinzip die Nutzung der umfangreichen thermodynamischen Datenbanken und Tabellenwerke endlich auch für die Glastechnologie erschlossen. Schon jetzt lassen sich etliche Glaseigenschaften, etwa die chemische Beständigkeit, per Desk Top modellieren, noch bevor die erste Versuchsschmelze und der erste Korrosionstest angesetzt werden. Von einer systematischen Weiterentwicklung des Verfahrens darf man erwarten, dass zeit- und kostenintensive Arbeiten nach dem Prinzip von „Trial and Error“ (Versuch und Irrtum) deutlich reduziert werden können.

Die neue Modellierungsstrategie ist aber nicht allein auf die Vorhersage von Glaseigenschaften beschränkt. Auch komplexe Reaktionsabläufe, an denen ein Glas oder seine Schmelze als Reaktionspartner beteiligt ist, sind nun einer quantitativen Behandlung zugänglich. Technologisch relevante Beispiele sind die Bestimmung des Energiebedarfs eines einschmelzenden Glasgemenges oder die Verdampfung einzelner Komponenten einer Schmelze unter der Wirkung einer Ofenatmosphäre.