Highly Stable Glasses of cis-Decalin and cis/trans-Decalin Mixtures

Glas ist ein Material, das sich einer einfachen Kategorisierung entzieht. Es ist ein Festkörper, dem die geordnete, sich wiederholende Struktur eines Kristalls fehlt, doch es fließt auch nicht wie eine Flüssigkeit. Stattdessen ist es eine eingefrorene Momentaufnahme eines ungeordneten Zustands, bei dem die Moleküle zwar an Ort und Stelle fixiert sind, aber die chaotische Anordnung einer Flüssigkeit beibehalten. Diese Unordnung ist kein Makel, sondern ein Merkmal, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die Eigenschaften von Glas zu steuern, indem sie verändern, woraus es besteht. Die Art und Weise, wie Glas hergestellt wird, ist jedoch ebenso wichtig wie seine Inhaltsstoffe. Ein Glas, das schnell aus einer Flüssigkeit abgekühlt wurde, ist in der Regel weniger stabil und enthält mehr Energie als eines, das langsam abgekühlt wurde. Seit Jahrzehnten wissen Forscher, dass, wenn man eine Flüssigkeit sehr langsam abkühlt oder sie lange Zeit altern lässt, die Moleküle mehr Zeit haben, eine gemütliche, effiziente Packungsanordnung zu finden, was zu einem dichteren und stabileren Glas führt.

Kürzlich entdeckten Wissenschaftler eine Abkürzung zu diesem idealen Zustand. Indem sie Moleküle einzeln aus einem Dampf auf eine kühle Oberfläche abscheiden, können sie eine Glasschicht Schicht für Schicht aufbauen. Wenn jedes neue Molekül landet, sitzt es auf einer Oberfläche, die noch mobil ist, was ihm ermöglicht, zu wackeln und sich an einen perfekten Platz zu setzen, bevor es durch die nächste Schicht begraben wird. Dieser Prozess erzeugt das, was als „ ultrastabile Gläser“ bezeichnet wird. Diese Materialien sind so dicht gepackt, dass sie sich so verhalten, als wären sie über Tausende von Jahren abgekühlt worden, obwohl sie in nur wenigen Minuten entstanden sind. Bis jetzt wurde dieses Phänomen nur bei reinen Substanzen beobachtet. Die große Frage war, ob dieser Trick auch bei Mischungen verschiedener Moleküle funktionieren würde und ob er auch bei Materialien funktionieren könnte, die sich nur schwer in Glas verwandeln lassen.

Ein Team von Forschern der University of Wisconsin–Madison und der University of Rostock ging dieser Frage nach, indem sie eine Substanz namens Decalin verwendeten. Decalin kommt in zwei Formen vor, den sogenannten Isomeren: cis-Decalin und trans-Decalin. Die Forscher wollten untersuchen, ob sie ultrastabile Gläser aus reinem cis-Decalin, aus reinem trans-Decalin und aus verschiedenen Mischungen der beiden herstellen konnten. Sie verwendeten ein spezialisiertes Instrument, ein Nanokalorimeter, das empfindlich genug ist, um die Wärmekapazität eines winzigen Films von nur wenigen hundert Nanometern Dicke zu messen. Indem sie den Dampf auf eine Oberfläche abschieden, die auf spezifische Temperaturen gehalten wurde, und den Film anschließend vorsichtig erhitzten, konnten sie beobachten, wie das Glas wieder in eine Flüssigkeit überging.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Dem Team gelang es, ultrastabile Gläser aus cis-Decalin und aus Mischungen, die beide Formen (cis und trans) enthielten, herzustellen. Sie fanden heraus, dass sie durch Abscheidung des Materials bei einer Temperatur von etwa 8 Prozent unter seinem Glasübergangspunkt einen Film erzeugen konnten, der signifikant stabiler war als Glas, das durch einfaches Abkühlen der Flüssigkeit hergestellt wurde. Für die 50/50-Mischung der beiden Formen war das resultierende Glas so stabil, dass es eine Transformationszeit benötigte, die etwa dem 25.000-fachen der natürlichen Relaxationszeit der Flüssigkeit entsprach. In praktischen Begriffen bedeutet dies, dass das Glas unglaublich resistent gegen Veränderungen war. Die Wärmekapazität dieser neuen Gläser war ebenfalls niedriger als die von gewöhnlichem Glas, was darauf hindeutet, dass die Moleküle dichter und effizienter gepackt waren.

Die vielleicht überraschendste Erkenntnis war, dass diese Methode auch bei einer Mischung zweier verschiedener Moleküle funktionierte. Dies ist das erste Mal, dass solch stabile Gläser aus einer Mischung von Substanzen geformt wurden. Die Forscher testeten Mischungen mit unterschiedlichen Verhältnissen der beiden Decalin-Formen, von einem Viertel der einen bis zu drei Vierteln der anderen, und stellten fest, dass stabile Gläser durchweg entstanden. Dies deutet darauf hin, dass die Fähigkeit, diese Hochleistungsmaterialien herzustellen, nicht auf einzelne, reine Chemikalien beschränkt ist. Es öffnet die Tür dazu, Gläser mit spezifischen Eigenschaften zu entwickeln, indem man einfach das Rezept anpasst. Die Studie zeigte auch, dass selbst ein sehr schlechter Glasbildner, wie reines trans-Decalin, in ein stabiles Glas integriert werden konnte, wenn es mit der anderen Form gemischt wurde, vorausgesetzt, die Mischung enthielt genug des kooperativeren Partners.

Nicht jeder Versuch war jedoch erfolgreich. Die Forscher versuchten, ein stabiles Glas aus reinem trans-Decalin herzustellen, aber das Material kristallisierte, bevor es sich in einen Glaszustand einpendeln konnte. Dieses Scheitern verdeutlicht, dass die Methode zwar leistungsstark, aber nicht universell ist; einige Materialien weigern sich schlichtweg, unter diesen Bedingungen ungeordnet zu bleiben. Darüber hinaus zeigte die Studie, dass die Stabilität des Glases stark von der Oberflächentemperatur während der Abscheidung abhängt. Wenn die Oberfläche zu heiß ist, packen sich die Moleküle nicht dicht genug. Wenn sie zu kalt ist, frieren sie in ihrer Position ein, bevor sie ihre beste Anordnung finden können. Der „Sweet Spot“ wurde in einem engen Temperaturbereich gefunden, in dem die Moleküle gerade genug Mobilität besitzen, um sich perfekt einzupendeln.

Diese Erkenntnisse stellen die Vorstellung infrage, dass ultrastabile Gläser eine seltene Kuriosität sind, die auf spezifische, einfache Moleküle beschränkt ist. Die Arbeit zeigt, dass das Phänomen robust genug ist, um mit Mischungen und sogar mit sehr fragilen Materialien umzugehen, die normalerweise der Glasbildung widerstehen. Die Forscher konnten auch die Möglichkeit ausschließen, dass diese stabilen Eigenschaften durch winzige, verborgene Kristalle innerhalb des Glases verursacht wurden. Wäre dies der Fall gewesen, hätte eine Mischung aus zwei verschiedenen Molekülen wahrscheinlich keine so einheitliche, stabile Struktur gebildet. Stattdessen deutet die Evidenz auf einen wahrhaft amorphen Zustand hin, in dem die Moleküle einfach mit außergewöhnlicher Effizienz gepackt sind.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen weit über das Labor hinaus. Stabile Gläser haben potenzielle Anwendungen in der organischen Elektronik und in der Pharmazie, wo die Stabilität eines Materials entscheidend für die Leistung und die Haltbarkeit ist. Beispielsweise werden viele Medikamente als amorphe Mischungen verkauft, um ihre Löslichkeit im Körper zu verbessern, aber diese Mischungen können instabil sein und im Laufe der Zeit zur Kristallisation neigen. Die Fähigkeit, stabile Gläser aus Mischungen herzustellen, deutet auf einen neuen Weg hin, diese Materialien in einen dauerhaften Zustand zu versetzen. Durch das Verständnis, wie man die Packung der Moleküle während der Abscheidung kontrolliert, können Wissenschaftler möglicherweise Materialien entwerfen, die stärker, stabiler und besser für fortschrittliche Technologien geeignet sind. Die Studie bestätigt, dass die Regeln, die diese Materialien bestimmen, flexibler sind als bisher angenommen, und bietet ein neues Werkzeug für die Materialwissenschaft.