Wie fest zu flüssig wird

Materialwissenschaftler der Universität Jena erklären, was beim Schmelzen passiert

Stand: 02.03.2018 - 09:30

Aus Eis wird Wasser, Butter zerläuft zu flüssigem Fett, Minerale verwandeln sich in transpa­rentes Glas - all diese Prozesse funktio­nieren nur, weil sich der Aggregat­zustand eines Ausgangs­materials durch Erhitzen von fest in flüssig verändert. Gemeinhin nennt man diesen Übergang Schmelzen. Doch obwohl er allgegen­wärtig ist, ist überra­schend wenig darüber bekannt, wie der Vorgang auf der Ebene von Molekülen und Atomen eigentlich genau abläuft. Material­wissen­schaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben nun gemein­sam mit Fach­kollegen aus Groß­britannien, Frank­reich, den USA und Deutsch­land detailliert beobachten können, was beim Schmelzen genau passiert. Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins "Advanced Science" (DOI: 10.1002/advs.201700850).

"In der Regel schmilzt ein Material von seiner Oberfläche aus - Eis wird so bei­spiels­weise rutschig", sagt Prof. Dr. Lothar Wondraczek, Lehrstuhl­inhaber für Glas­chemie an der Univer­sität Jena. "Doch unter bestimmten Bedin­gungen schmilzt ein Körper auch homogen, also im Ganzen." In den meisten bisher bekannten Fällen ist die Viskosität - also die Zähigkeit - der entstan­denen Flüssig­keit am Schmelz­punkt aber sehr niedrig, so dass der eigent­liche Schmelz­prozess äußerst schnell abläuft und sich nur schwer beobachten lässt. Dem Wissen­schaftle­rteam ist es nun gelungen, sich den Schmelz­vorgang quasi in Zeitlupe anzu­schauen. Dabei deckten sie auf, dass beim Übergang von fest nach flüssig grund­sätzlich zwei Schritte aufeinander­folgen: "Erhöht man die Tempe­ratur, so erreicht das System zunächst einen energe­tischen Zustand, der zufällig auftau­chende gestörte Bereiche zur Folge hat, aller­dings ohne dass die Teilchen, aus denen das Kristall­gitter besteht, bereits größere Bewe­gungen vornehmen. Nur wenn diese Teilchen im zweiten Schritt auch die Freiheit erlangen, sich verstärkt und stetig über größere Strecken zu bewegen, verflüs­sigen sich die gestörten Bereiche", erklärt Wondra­czek. "In gewisser Weise muss die Flüssig­keit also erst tatsächlich flüssige Eigen­schaften erlangen, bevor der Schmel­zvorgang abge­schlos­sen ist. Wenn man bei­spiels­weise Eis sehr schnell auf einige Grad Celsius erwärmt, so ist die Beweg­lich­keit der Teilchen im flüssigen Zustand in aller Regel allerdings so hoch, dass der zweite Teil der Reaktion aufgrund der hohen Geschwin­dig­keiten kaum separat beobachtbar ist."

Schmelzen in Zeitlupe

Für die Erkenntnisse der Jenaer Forscher, die der Europäische Forschungsrat im Rahmen des Projektes "UTOPES" unterstützt hat, sind Experi­mente an sogenannten Zeolithen verantwortlich, Materialien also mit sehr poröser Struktur. Die Wissen­schaftler konnten zeigen, dass diese in flüssiger Form eine weitaus höhere Viskosität als Wasser oder sogar als zäher Honig besitzen. Zeolithe kommen in der Natur vor, werden aber auch in großer Menge künstlich produziert und finden vielfältige Anwen­dungs­mög­lich­keiten, etwa in Wasch­mitteln oder Filtern. In unter­schied­lichen Experi­menten erhitzten die Wissen­schaftler die Zeolithe und beobachteten gleich­zeitig, wie sich während­dessen die Material­eigen­schaften verändern. "Der Schmelz­prozess läuft hierbei wesentlich lang­samer ab, was uns ein Zeit­fenster im Minuten­bereich für unsere Beobach­tungen ermög­lichte", beschreibt der Jenaer Material­wissen­schaftler einen Grund­gedanken der Arbeiten. Mit den neuen Erkennt­nissen besteht nun die Möglich­keit, das Material auch während des Schmel­zprozesses in seiner Struktur festzu­halten und es so noch weiter modifizieren zu können.

Doch viel bedeutender ist für die Forscher­gruppe, dass hier eine wichtige Lücke in der Grund­lagen­forschung geschlossen werden könnte - und das nicht nur in ihrem Bereich der Material­wissen­schaften. "Viele Wissen­schaftler aus ganz unter­schied­lichen Diszi­plinen, etwa aus den Geo­wissen­schaften, der Chemie und der Physik, haben sich dem Thema von ganz unter­schied­lichen Seiten genähert", sagt der Jenaer Material­wissen­schaftler. "Wir glauben, dass wir nun auf dem Weg zu einer allgemein­gültigen und übergrei­fenden Klärung dessen, was beim Schmelzen genau passiert, einen entschei­denden Schritt machen konnten."

Originalpublikation

Lothar Wondraczek, Zhiwen Pan, Theresia Palenta, Andreas Erlebach, Scott T. Misture, Marek Sierka, Matthieu Micoulaut, Uwe Hoppe, Joachim Deubener, G. Neville Greaves: "Kinetics of decelerated melting", Advanced Science 5, 1700850, 2018, DOI: 10.1002/advs.201700850


Quelle: idw - Informationsdienst Wissenschaft (02.03.2018)

Bild 1: Ein Wissenschaftlerteam um Prof. Dr. Lothar Wondraczek von der Uni Jena hat den Vorgang des Schmelzens von Feststoffen detailliert aufgeklärt.
Foto: Lothar Wondraczek

Bild 2: Prof. Dr. Lothar Wondraczek hat den Lehrstuhl für Glaschemie II der Uni Jena inne.
Foto: Anne Günther/ FSU