Eigenschafts- und Strukturbildung, Relaxationsverhalten und Phasenbeziehungen in komprimierten anorganischen Gläsern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im hier geförderten Forschungsvorhaben wurde die Druckabhängigkeit der Struktur- und Eigenschaftsbildung, das Relaxationsverhalten sowie Phasenbeziehungen (v.a. Polyamorphismus) von oxidischen, anorganischen Gläsern detailliert untersucht. Es konnte ein vertieftes Verständnis über die strukturellen Vorgänge während der Komprimierung auf allen in amorphen Materialien relevanten Längenskalen (kurz-, mittel- und langreichweitige Ordnung) über ein großes Kompressionsregime (von Normaldruckbedingungen bis 25 GPa) gewonnen werden. Neben technisch relevanten, chemisch komplexen Borosilikatgläsern lag der experimentelle Fokus auf Telluritgläsern sowie auf überwiegend ionisch gebundenen Phosphatgläsern. Es konnten neben der qualitativen experimentellen Beschreibung druckinduzierter Vorgänge in unterkühlten Flüssigkeiten und Gläsern insbesondere auch quantitative sowie theoretische mechanistische Beschreibungen abgeleitet werden, die nun zu einer Einbeziehung des Druckparameters in die thermodynamische Betrachtung des Glasüberganges beitragen. Die Ziele des Forschungsvorhabens konnten damit vollständig erreicht werden. Insbesondere konnten in den betrachteten Modellsystemen Strukturparameter gefunden werden, welche die Kompaktion mechanistisch treiben. Diese werden in verschiedenen Strukturkonzepten zwischen "Bindungsdichte" und "Packungsdichte" repräsentiert. Weiter wurde dargestellt, in welcher bestimmenden Rolle und Funktion die topologische Heterogenität als lateraler Gradient im molekularen und elastischen Ensemble des Glassystems hier beiträgt. Die sich über einige Koordinationsebenen, nicht jedoch in die Mikroscala hinein (i.e., < 10 nm) erstreckende Heterogenität (sichtbar in Dichtefluktuationen oder in Fluktuationen der chemischen Zusammensetzung) ist stark druckabhängig und dominiert – abhängig von der Einordnung in die fundamentalen Strukturtypen – die Kompressibilität der glasbildenden Flüssigkeit. Beispielhaft wurde schließlich ein struktureller Polyamorphismus in Borosilikatglas nachgewiesen und kinetisch ausgewertet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Relaxation and Prigogine-Defay ratio of compressed glasses with negative viscosity-pressure dependence. The Journal of Chemical Physics, Vol. 130 (20): S. 204506-8 (2009)
L. Wondraczek, S. Krolikowski, H. Behrens
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Relaxation of Libyan desert glass: Evidence for negative viscosity–pressure dependence in silica? Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 355 (31– 33): S. 1666-1668. (2009)
S. Krolikowski, S. Brungs, L. Wondraczek
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Kinetics of pressure relaxation in a compressed alkali borosilicate glass. Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 356 (35-36): S. 1859-1862 (2010)
L. Wondraczek, S. Krolikowski, H. Behrens
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Structural heterogeneity and pressure-relaxation in compressed borosilicate glasses by in situ small angle X-ray scattering. Journal of Chemical Physics, Vol. 134 (20): S. 204502 (2011)
S. Reibstein, L. Wondraczek, D. de Ligny, S. Krolikowski, S. Sirotkin, J.P. Simon, V. Martinez, B. Champagnon
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Affinity and its derivatives in the glass transition process. J. Chem. Phys. 137, art. no. 024505 (2012)
J.-L. Garden, H. Guillou, J. Richard, L. Wondraczek
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Effect of temperature and thermal history on borosilicate glass structure. Physical Review B, Vol. 85 (5): S. 054110. (2012)
F. Angeli, O. Villain, S. Schuller, T. Charpentier, D. de Ligny, L. Bressel, L. Wondraczek
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Non-equilibrium configurational Prigogine-Defay-ratio. J. Non-Equilib. Thermodyn. 37, 143-177 (2012)
J.-L. Garden, H. Guillou, J. Richard, L. Wondraczek
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Dissertationsschrift „Druckabhängigkeit der topologischen Heterogenität von Gläsern“, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (2013)
Sindy Fuhrmann
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A reconstructive polyamorphous transition in borosilicate glass induced by irreversible compaction. J. Chem. Phys. 140, art. no. 054501 (2014)
S. Fuhrmann, T. Deschamps, B. Champagnon, L. Wondraczek
