Unendlicher Mix Forscher zaubern gezielter neues Glas per Computer

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Jenaer Materialforscher entwickeln computergestützte Methoden, mit denen neue Gläser mit verbesserten Eigenschaften zeit- und energieeffizienter entwickelt werden können. Hier ein kleiner Einblick in die Arbeiten.

Glas ist ein ganz besonderes Material, sagen die Jenaer Experten. Denn es lässt sich in nahezu unbegrenzter Vielfalt aus Mischungen beinahe aller Elemente des Periodensystems variieren. Das klappt immer dann, wenn sich die Bestandteile gemeinsam schmelzen lassen und die Schmelze danach schnell genug abgekühlt wird, heißt es weiter. Dabei erstarrt das fließfähige Gemisch und bildet dann ein Glas. Vielleicht wissen einige noch, dass Glas auch als erstarrte Flüssigkeit bezeichnet wird. So groß die Vielfalt in der Zusammensetzung aber ist, so vielfältig sind auch die Eigenschaften der daraus resultierenden Gläser. Für die Materialwissenschaft ist das jedoch ein Problem. Denn anders als kristalline Materialien besitzt Glas keine geordnete innere Struktur. Stattdessen bleiben seine atomaren Bestandteile nach dem Abkühlen mehr oder weniger so angeordnet, wie sie auch im flüssigen Zustand vorlagen. Die Materialwissenschaftler sprechen von korrelierter Unordnung. Dabei gibt es zwar grundsätzlich keine wiederkehrende, periodische Anordnung der Atome, aber doch eben auch keine reine Zufälligkeit. Stattdessen existieren bestimmte Bauregeln und Zusammenhänge, die sich aus der Interaktion der Bestandteile miteinander ergeben.

Analogien aus der Bioinformatik auf die Glasforschung übertragen

Um chemische Rezepte für Gläser mit angepassten Eigenschaften zu finden, sind deshalb oft langwierige und experimentell aufwendige Optimierungsprozesse notwendig. Eine besondere Herausforderung ist es also, genau diejenigen Bauregeln und chemischen Zusammenhänge zu finden, die für eine bestimmte Eigenschaft oder Eigenschaftskombination eine Rolle spielen. So kann das Zusammenspiel bestimmter chemischer Komponenten zum Beispiel zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit führen. Soll das Glas aber etwa für Batterieanwendungen auch eine festgelegte Ionenleitfähigkeit haben, könnten gänzlich andere chemische Zusammenhänge relevant sein. Jetzt soll ein Verfahren die Suche nach solchen korrelierten Abhängigkeiten zukünftig deutlich schneller und effizienter machen. Wie die Experten im Fachmagazin „Advanced Science“ berichten, erhoffen sie sich davon neue Wege zu Glaswerkstoffen mit optimierten Eigenschaften.

Die den praktischen Eigenschaften zugrundeliegenden strukturchemischen Zusammenhänge werden dabei in Anlehnung an die Lebenswissenschaften plakativ als „Gene“ bezeichnet. Die Gesamtheit aller Eigenschaften eines Werkstoffs ergebe sich nach dieser Terminologie aus seinem „Genom“. Exemplarisch haben sich die Jenaer Forscher die Leitfähigkeit für Natriumionen zum Ziel gesetzt. Für diese soll in komplexen, sogenannten polyionischen Gläsern ergründet werden, welche Kombinationen chemischer Komponenten für die praktisch erreichbare Leitfähigkeit bedeutend sind. Solche Ionen leitenden Gläser könnten zum Beispiel in Festkörperbatterien Anwendung finden. Zunächst benötige man dafür einen ausreichend großen und verlässlichen Satz aus experimentellen Daten, den man dann mit Methoden der Genomanalyse untersuchen könnte. Das sei vergleichbar mit in der Bioinformatik verwendeten Ansätzen, wenn nach den die Eigenschaften bestimmenden „Genen“ gesucht werde, nur dass es sich in diesem Fall um ein Material und nicht um einen lebenden Organismus handelt.

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