Physik: Warum vibriert Glas?
Bei tiefen Temperaturen fängt Glas an zu vibrieren, Gläser übertragen Schallwellen und schwingen anders als andere Festkörper. Seit ungefähr einem halben Jahrhundert fragt sich die Fachwelt: Warum ist das so? Ein Forschungsduo von der Universität Konstanz hat sich nun eine circa 20 Jahre alte Studie angesehen und sie neu ausgearbeitet. Damals hatte die Fachwelt die Überlegungen in der Studie verworfen, doch heute liefert sie die Antwort(öffnet im neuen Fenster) .
Grundsätzlich ist die Schwingung der Schallwellen gedämpft, wenn sie durch Glas gesendet werden - eine Dämpfung, die bei anderen Festkörpern fehlt. Die Dämpfung hat Auswirkungen etwa auf die Wärmeübertragung und Wärmekapazitäten des Glases. Dass das so ist, war bereits bekannt, jedoch gab es bis jetzt kein theoretisches Modell dieses Vorgangs.
Glas ist ein ungeordneter Festkörper
Anders als bei kristallinen Festkörpern, wo die Teilchen wie Bausteine aneinandergereiht sind, sind die Teilchen, aus denen Gläser bestehen, nicht regelmäßig angeordnet. Gläser gehören somit zu den ungeordneten Festkörpern.
Wenn kristalline Festkörper bei tiefen Temperaturen zum Schwingen gebracht werden, geben die Teilchen die Schwingung ungedämpft an ihre Nachbarn weiter, wie es in einer Pressemitteilung der Universität Konstanz heißt(öffnet im neuen Fenster) . "Die Schwingung wird in einer gleichförmigen Welle unvermindert weitergetragen, vergleichbar mit einer La-Ola-Welle im Stadion."
Anders ist es bei Gläsern. Da ihre Teilchen nicht in einem regelmäßigen Raster sitzen, sondern zufällige Positionen ohne stringente Ordnung einnehmen, wird die Welle einer Schwingung ungleichmäßig und in einem zufälligen Muster weitergetragen. Die einzelne Welle wird laut dem Forschungsteam gebrochen und verteilt sich anschließend auf viele kleine Wellen. Dieser Zerstreuungseffekt verursacht die Dämpfung - der Effekt wird Rayleigh-Dämpfung genannt.
Die Forschung ist aber noch nicht beendet. "Wir haben jetzt das richtige Modell gefunden, mit dem wir nun weitere Berechnungen - besonders von quantenmechanischen Effekten - anstellen können" , erklärte Matthias Fuchs, einer der beiden Autoren der Studie.
Zur Studie
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Journal Physical Review Letters (Band 130, Juni 2023) am 7. Juni 2023 publiziert. Sie heißt Vibrational Phenomena in Glasses at Low Temperatures Captured by Field Theory of Disordered Harmonic Oscillators(öffnet im neuen Fenster) (Schwingungsphänomene in Gläsern bei niedrigen Temperaturen, erfasst durch die Feldtheorie ungeordneter harmonischer Oszillatoren).