Materialforschung

Dr. Hans-Joachim Konz, Mitglied der SCHOTT Konzernleitung (Mitte), mit den Preisträgern Professor Himanshu Jain (links) und Professor Walter Kob (rechts). (Foto: SCHOTT/A. Sell)
Bernhard Gerl

Ausgezeichnete Modelle

Die Dynamik von Atomen in Glas sowie Computersimulationen zur Vorhersage physikalischer Eigenschaften von Materialien sind Arbeitsschwerpunkte der mit dem Otto-SCHOTT-Forschungspreis 2007 prämierten Wissenschaftler.

Anfang Juli wurde den beiden Forschern Prof. Dr. Himanshu Jain und Prof. Dr. Walter Kob im Rahmen des »International Congress of Glass 2007« in Straßburg der mit 25.000 Euro dotierte Otto-SCHOTT-Forschungspreis verliehen. Die Auszeichnung wird im jährlichen Wechsel mit dem Carl-Zeiss-Forschungspreis für herausragende wissenschaftliche Leistungen in Grundlagenforschung und Technologieentwicklung in den Bereichen Spezialwerkstoffe, Bauteile und Systeme für die Anwendungen in Optik und Elektronik, Solarenergie, Gesundheit und Wohnen verliehen. Beide Forschungspreise werden vom Stifterverband für die deutsche Wissenschaft verwaltet.

„Jellyfish-Modell” erklärt Atombewegungen im Glas

Prof. Himanshu Jain (Lehigh University, Bethlehem/PA, USA) leitet seit 2004 das „International Materials Institute for New Functionality in Glass (IMI-NFG)« der NSF (National Science Foundation). Er erhielt die Auszeichnung für herausragende Arbeiten zur Förderung des grundlegenden Verständnisses der Dynamik von Atomen in Glas. Bereits früher wurde er mit dem internationalen »Zachariasen Award« für außergewöhnliche Beiträge zur Glasforschung ausgezeichnet. Professor Jains Forschung konzentriert sich auf das grundlegende Verständnis der Funktionalitäten in Glas, beispielsweise durch Licht hervorgerufene neuartige Phänomene und deren Anwendung in neuen Geräten, Glaskorrosion in nuklearen Umgebungen oder Gläser für photonische Anwendungen wie Sensoren, Infrarot-Optiken, Wellenleiter, Foto- und Nanolithographie. Dabei untersuchte er die Atombewegungen und wie sie von der Zusammensetzung des Glases oder äußeren Faktoren, beispielsweise Temperatur, elektrischen Feldern usw. beeinflusst werden. In bisher existierenden Theorien gibt es zwei grundlegende Arten von Atombewegungen bei Umgebungstemperatur: die Schwingungen eines Atoms um eine Ruhelage und die Diffusion, in der ein Atom oder Ion über eine größere Strecke in der Glasstruktur herumwandert. Eine wichtige Eigenschaft dieser Ionendiffusion ist, dass sie mit fallender Temperatur exponentiell abnimmt. Bei etwa 200 Kelvin müsste sie vollständig eingefroren sein. Doch Kernspinexperimente zeigten, dass es neben der Diffusion eine weitere Möglichkeit der Ionenwanderung in Glas geben muss.
Aufnahme eines Natriumtrisilikatglases, welches mittels einer Computersimulation erzeugt wurde. Die gelben und roten Kugeln stellen die Silizium- und Sauerstoffatome dar (nicht maßstabgetreu), die blauen sind die Natriumatome.
Durch intensive Forschungen konnten die grundlegenden Eigenschaften dieser Atombewegung charakterisiert werden, doch die zugrundeliegende Physik blieb ungeklärt, bis Professor Jain mit einem Boot zur Isle of Skye an SCHOTTlands Westküste fuhr. Im Meer der Hebriden sah er Hunderte von Quallen (engl. „jellyfish”) im Wasser und beobachtete, dass sie nicht schwammen, sondern sich schlängelten (engl. „wiggle”), ohne dabei sehr weit voran zu kommen. So entstand die „Jellyfish”-Theorie der Dynamik von Atomen bei tiefen Temperaturen: Die „Jellyfish” Bewegungen rühren von einer kollektiven Bewegung einer ganzen Gruppen von Atomen zwischen verschiedenen Konfigurationen her, ganz ähnlich dem Schlängeln einer Qualle im Meer. Sie sind viel langsamer als typische Atomschwingungen und hängen von der Struktur des Materials in der direkten oder nahen Umgebung ab. Die „Jellyfish” Bewegungen existieren auch bei Raumtemperatur, werden aber erst signifikant bei höheren Frequenzen. Deshalb können die dynamischen Eigenschaften von Glas – wie beispielsweise der dielektrische Verlust bei Mikrowellenfrequenzen – unmittelbar durch die Untersuchung niedriger Frequenzen bei tiefen Temperaturen vorhergesagt werden.
Prof. Kobs Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung einfacher Flüssigkeiten, Gläser und Polymere mit Hilfe von Computersimulationen. (Foto: privat)
Simulationen zur Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten

Der gebürtige Schweizer Dr. Walter Kob ist als Professor am Institut für Physik der Université de Montpellier 2 tätig. Seit 1995 ist er Direktor des Laboratoire des Colloïdes, Verres et Nanomatériaux. Er erhielt den Otto-SCHOTT-Preis für seine herausragenden Arbeiten zur Erforschung statischer und dynamischer Eigenschaften von Gläsern und unterkühlten Flüssigkeiten mittels Computersimulationen. Seine Forschungsgebiete umfassen unter anderem die Dynamik unterkühlter Flüssigkeiten und die Natur der Glasumwandlung, die Struktur und Dynamik von Gelen, Natriumsilikat-Schmelzen und -Gläsern oder die Alterung von gläsernen Systemen. Der Schwerpunkt seiner Forschung gilt der Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften ungeordneter Systeme, wie beispielsweise einfache Flüssigkeiten, strukturelle Gläser, Potts-Gläser oder Polymere mit Hilfe von Computersimulationen und anderen statistischen Methoden. Diese Computersimulationen wurden im letzten Jahrzehnt entwickelt, um die mikroskopischen Eigenschaften von Materialien zu erforschen. Dies ist möglich, da alle physikalischen Eigenschaften eines Materials berechnet werden können, sobald die Atomsorte und die Positionen aller Teilchen bekannt sind.
Zeit- und Längenskalen, welche mit verschiedenen experimentellen Techniken zugänglich sind (eingefärbt) sowie Skalen, welche mit Computersimulationen erforscht werden: klassische Simulationen unterhalb der orangen, ab initio Simulationen unterhalb der blauen Linie.
Ausgangspunkt der Simulationen ist die elementare Tatsache, dass alle Atome eines Körpers miteinander wechselwirken. Sobald man die Natur dieser Kräfte (abhängig von der Atomsorte) und den relativen Abstand der Teilchen zueinander kennt, kann beides dazu benutzt werden, um zu berechnen, wie sich jedes Teilchen in Raum und Zeit bewegt. Bei entsprechend langer Wartezeit stimmten die Bewegungen der Teilchen in der Simulation mit denen eines realen Systems überein, und die physikalischen Eigenschaften des echten Materials lassen sich bestimmen. Um die Kräfte zwischen den Teilchen zu berechnen, gibt es zwei Möglichkeiten: In der sogenannten „Ab-initio-Berechnung” werden die Kräfte zwischen den Atomen direkt aus den Positionen der Atomkerne und der Elektronenstruktur der Atome berechnet. Es gehen also keine empirischen Parameter oder experimentelle Daten in die Berechnung ein. Deshalb kann jedes Material mit dieser Technik simuliert werden.

Im klassischen Feldtheorie-Ansatz postuliert man die nahen und weitreichenden Wechselwirkungen zwischen den Atomen und benutzt diese Postulate für die Simulation. Die genaue Form dieser Kräfte wird experimentell oder mit ”Ab-initio-Simulationen” bestimmt. Deshalb ist dieser Ansatz von Experimenten oder komplexeren Simulationen abhängig. Sein großer Vorteil: Er ist 10.000 mal schneller, deshalb können weit größere Systeme in derselben Zeit simuliert werden. Noch sind Computer­simulationen nicht das „perfekte Werkzeug”, denn die Eigenschaften von Glas hängen von der Abkühlrate bei der Herstellung ab. Doch in Simulationen sind diese Kühlraten viele Größenordnungen höher als in der Wirklichkeit. Trotzdem werden Simulationen in naher Zukunft ein Standardwerkzeug in der Forschung und vielen wissenschaftlichen Laboratorien sein.
Ergänzende Informationen
Jellyfish Modell