SCHOTT solutions Nr. 1/2009 > Forschung und Entwicklung

Die nächsten Laserglas-Generationen sollen der höheren Beanspruchung durch verbesserte Hochleistungspuls-Laser widerstehen. Foto: Lawrence Livermore National Laboratory

Reise in die Zukunft
des Glases


Welche Fortschritte versprechen
Glas und ähnliche Werkstoffe in den nächsten 20 Jahren?


Thilo Horvatitsch

Wohl selten konzentrierte sich am deutschen Konzernsitz von SCHOTT in Mainz ein solches glaswissenschaftliches Wissen wie zur Verleihung des 10. Otto-Schott-Forschungspreises im November 2008. Zwölf ehemalige Preisträger trafen sich erstmals in dieser Runde und machten die Jubiläumsveranstaltung zu einer Reise in die Zukunft ihrer Fachgebiete. Eine Zukunft, die auf viel Vergangenheit baut: Den Werkstoff Glas kannte man bereits vor Jahrtausenden. Seither hat das transparente Material mit seinen vielseitigen Eigenschaften selbst Hightech-Anwendungen wie etwa die Lithografie von Mikrochipstrukturen erobert.

Wer deshalb denkt, die Goldgräberzeiten sind vorbei, sieht sich getäuscht. In mancher, auch grundlegender Beziehung ist Glas immer noch unentdecktes Neuland – mit viel Potenzial für künftige Überraschungen. Dies zeigte das zweitägige Symposium mit hochkarätigen Vorträgen im Rahmen der zehnten Preisverleihung. Dabei hatten die Wissenschaftler technologische Zukunftsszenarien und Roadmaps bis ins Jahr 2025 zu erarbeiten, zusammengefasst in drei Clustern: „Optik- und Photonikanwendungen“, „Strukturen und Eigenschaften glasiger Werkstoffe“ sowie „Chemische und thermische Anwendungen“.
Photonische Kristallfasern – hier im stark vergrößerten Querschnitt – bieten aufgrund ihrer Mikrostrukturen exzellente optische Eigenschaften und eröffnen vielfältige Einsatzchancen. Foto: Fraunhofer IOF

Das Superglas von morgen

In seiner traditionellen Rolle geht es beim Glas von morgen vor allem um die Weiterentwicklung in Richtung extreme Stabilität, Bruchsicherheit, thermische Belastbarkeit und Transparenz – Eigenschaften, mit denen es etwa die wachsenden Materialansprüche von Photovoltaik-Solarmodulen oder in der Architektur noch besser erfüllen kann. Bahnbrechender jedoch ist die „Karriere“ von Glas als neuartiges Funktionsmaterial. Gefragt sind dabei Qualitäten wie eine exzellente Oberflächenstrukturierbarkeit oder besondere dielektrische Eigenschaften, etwa für Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS), oder optische Funktionen wie die Verhinderung von Lichtreflexionen nach dem Vorbild des Mottenauges. Interessant ist Glas auch als optisch aktives Material. So stand Glas als laseraktives Medium auf der Agenda der Wissenschaftler weit oben: Dr. John Campbell vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien, USA, erläuterte, dass alle derzeitigen Hochleistungspuls (High Peak Power/HPP)-Lasersysteme auf dem Einsatz spezieller Lasergläser basieren. Das Licht aus dem 1,8-Megajoule-Laser des LLNL etwa entsteht in einer Vielzahl von Neodym-dotierten Phosphatgläsern und strahlt auf ein winziges Ziel, gefüllt mit schwerem Wasserstoff. Darin kann ein Laserpuls in wenigen Milliardstel Sekunden ein viele Millionen Grad heißes Fusionsplasma zünden. Im Visier der nächsten Generationen stehen nun weiterentwickelte Gläser oder auch polykristalline Keramiken, die der thermischen und optischen Beanspruchung durch verbesserte HPP-Laser widerstehen. Denn diese sollen bei einer Frequenz von zehn Hertz im Megajoule-Bereich arbeiten und nicht mehr nur einige Male pro Tag betriebsfähig sein. Dies ist auch ein Entwicklungsthema für SCHOTT, seit Jahrzehnten LLNL-Partner als Lieferant von Lasergläsern.

Prof. Dr. Andreas Tünnermann von der Friedrich-Schiller-Universität Jena sprach über photonische Kristallfasern mit stark verbesserten optischen Eigenschaften etwa zum Einsatz in modernen Hochleistungsfaserlasern. Ihre Eigenschaften beruhen im Gegensatz zu klassischen optischen Fasern nicht auf unterschiedlich dotiertem Basismaterial, sondern auf der speziellen Mikrostruktur der Fasern, deren Mantel in Längsrichtung von winzigen Kanälen durchzogen ist. Dies ermöglicht nicht nur die Fortentwicklung von Faserlasern. Photonische Kristallfasern eröffnen viele weitere Anwendungsfelder: mit gasgefüllten Kanälen lassen sie sich etwa als Sensoren oder Frequenzvervielfacher in der Telekommunikation nutzen.

Prof. Hideo Hosono vom Tokyo Institute of Technology blickte über den gläsernen Tellerrand auf andere nichtkristalline Materialien. Seine transparenten amorphen Halbleiter (transparent amorphous oxide semiconductors = TAOS) aus Indiumgalliumzinkoxid sollen die kostengünstige Herstellung von Dünnschicht-Transistoren (TFT) ermöglichen. Die flexiblen und durchsichtigen Elektronikbauteile eignen sich für transparente Displays, etwa in Windschutzscheiben von Autos, und versprechen höhere Transistordichten und schnellere Schaltraten als vergleichbare Module auf Basis herkömmlicher transparenter Halbleiter.

An der Verleihung des 10. Otto-Schott-Forschungspreises nahmen auch viele frühere Preisträger teil (v.l.n.r.): Reihe vorn: Prof. Don Uhlmann (Trustee Ernst Abbe Fund), Prof. Himanshu Jain, Dr. Hans-Joachim Konz (SCHOTT Board member), Prof. Akio Ikesue (Award winner 2008), Prof. Walter Kob, Prof. Gerd Müller (Trustee Ernst Abbe Fund). Reihe Mitte: Dr. Dieter Fuchs, Dr. Natalia Veshcheva, Phd. David Griscom, Prof. Jianrong Qiu, Prof. Prabhat Gupta. Reihe hinten: Prof. Reinhard Conradt, Prof. Andreas Tünnermann, Dr. John Campbell, Anne-Jans Faber. Foto: SCHOTT/A. Sell

Mehr Grundlagenwissen

Um Werkstoffe mit neuen Funktionalitäten zu schaffen, ist neben der Offenheit gegenüber neuen Materialien aber auch ein tieferes Verständnis des zusammenhangs von der Zusammensetzung glasiger Werkstoffe und ihrer (atomaren) Struktur nötig. Vielversprechende Wege gehen dabei zum Beispiel Dr. Natalia Vedishcheva, Institute of Silicate Chemistry in St. Petersburg (Russland), und Prof. Reinhard Conradt von der RWTH Aachen, Deutschland, mit ihren Ansätzen eines strukturchemischen Glasverständnisses sowie Prof. Walter Kob von der Universität Montpellier, Frankreich, mit der Computersimulation von Gläsern.

Mathematische Simulationsmodelle bieten auch Chancen, Schmelzprozesse zu verstehen und zu verbessern sowie Schmelztechnologien weiterzuentwickeln. Anne-Jans Faber von TNO Science & Industry in Eindhoven, Niederlande, zum Beispiel zeigte Wege zur Modellierung von Wannendesigns, zur Charakterisierung der Glasschmelzqualität und Messung mittels Sensoren auf. Diskutiert wurden zudem die Möglichkeiten der Wiederverwertung der im Produktionsprozess freiwerdenden Wärme zur Energieeinsparung – auch als grundlegende ökologische Aufgabe ein wichtiges Zukunftsthema.

Nach zwei konzentrierten Veranstaltungstagen zog SCHOTT Vorstandsmitglied Dr. Hans-Joachim Konz, der das Symposium als Moderator begleitete, ein äußerst positives Fazit: „Eine Fortsetzung dieses fruchtbaren Austausches von externen und SCHOTT Forschern wäre zu wünschen“, so der Kuratoriumsvorsitzende des Ernst Abbe Fonds, aus dem auch Mittel für die Tagung flossen. <|
Zur Verleihung des 10. Otto-Schott-Forschungspreises trafen sich am deutschen Konzernsitz von SCHOTT in Mainz Glaswissenschaftler mit Rang und Namen. Das begleitende Symposium bot hochkarätige Fachvorträge – und einen vielversprechenden Ausblick auf die Gläser und Materialien von morgen. Fotos: SCHOTT/A. Sell