Modell liefert zuverlässige Ergebnisse

Dr. Boris A. Shakhmatkin und Dr. Natalia M. Vedishcheva, Institut für Silicatchemie der russischen Akademie der Wissenschaften, St. Petersburg, Russland

Glas ist ein sehr alter Werkstoff. Die ersten Glasprodukte entstanden bereits 3000 Jahre v. Chr. im alten Ägypten. Seit Jahrtausenden experimentieren Menschen mit Glas, um bestimmte Eigenschaften und Effekte zu erzielen. Heute verfügen wir über eine immense Palette von Kunst-, Gebrauchs- und Industrieglas und über eine große Anzahl von Methoden und Verfahren, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Gläsern gezielt zu analysieren und zu modifizieren.

Vorteilhafte Alternative

Die Eigenschaften von glasbildenden Oxidsystemen, auf denen viele unserer Industriegläser basieren, sind mittlerweile experimentell ausgiebig erforscht. Hochentwickelte Verfahren wie MAS-NMR, EPR und EXAFS ermöglichen eine genaue Analyse der Glasstruktur. Traditionell werden Veränderungen in der Struktur als Ursache für veränderte Glaseigenschaften angesehen. Weder ein besseres Verständnis der Beziehung zwischen Struktur und Eigenschaften eines bestimmten Systems noch detaillierte Kenntnisse über die Eigenschaften selbst ermöglichen jedoch, a priori vorauszusagen, wie dieses System auf die Hinzufügung neuer Komponenten reagieren wird. Um diese Frage zu beantworten, muss das jeweilige System in einer neuen Versuchsserie oder Versuchsreihe analysiert werden – und das ist, insbesondere im Fall von vielkomponentigen Gläsern, ein aufwendiges, zeitraubendes Verfahren. Die Möglichkeit, das Verhalten glasbildender Systeme zu modellieren, ist deshalb eine sehr vorteilhafte Alternative.

Mit Hilfe eines rein thermodynamischen Modellierverfahrens, das auf der Vorstellung assoziierter Lösungen basiert, kann eine Vielzahl von Glaseigenschaften auf der Basis eines einheitlichen Ansatzes vorausgesagt werden, und zwar für extrem große Konzentrations- und Temperaturbereiche, ohne Verwendung freier Fit-Parameter und mit einem guten Genauigkeitsgrad. Das Verfahren ist im Prinzip anwendbar auf Systeme mit einer beliebigen Anzahl von Komponenten von unterschiedlicher chemischer Beschaffenheit (basische und saure Oxide). Auf diesem Weg werden zunächst die Gleichgewichtskonzentrationen aller in einem Glas befindlichen Spezies als Funktion der Glaszusammensetzung, der Temperatur und des Drucks bestimmt. Damit lassen sich folgende Eigenschaften vorhersagen: Dichte, Brechzahl, Wärmekapazität, elektrische Leitfähigkeit, die Diffusionskoeffizienten von Ionen, die Redoxgleichgewichte, die chemische Beständigkeit sowie die Kristallisationsneigung.

Erfolgreiche Anwendung

Theoretisch können noch viele andere physikalische Eigenschaften mit Hilfe des Modells assoziierter Lösungen berechnet werden. So wurden beispielsweise Gleichungen für die Kompressibilitäts- und Wärmeausdehnungskoeffizienten und für die magnetischen und mechanischen Eigenschaften von Gläsern abgeleitet.

Außer den Glaseigenschaften können auch Strukturmerkmale, zum Beispiel die Verteilung der strukturellen Grundeinheiten, als eine Funktion von Glaszusammensetzung und Temperatur modelliert werden. Die gute Übereinstimmung zwischen den modellierten und den experimentell ermittelten Abhängigkeiten ist ein Hinweis darauf, dass das thermodynamische Modell erfolgreich angewendet werden kann, um den Einfluss der Temperatur auf die Glasstruktur abzuschätzen.