Wie oft haben wir das schon bereut: 30 Grad im Schatten und die Sehnsucht nach Kühlung verführt uns zu einem riesigen Eis mit drei extragroßen Kugeln. Und noch bevor wir uns zur zweiten vorgeschleckt haben, tropft der klebrige Schmelz schon auf Hemd und Hose. Eis schmilzt, das weiß jedes Kind. Aber wie genau es das tut, hat bisher niemand beobachtet. Außer Professor Arjun Yodh, Physiker an der Universität von Pennsylvania.
"Uns geht es um das Schmelzen von Feststoffen im Allgemeinen. Das kann Eis sein oder Metall oder auch andere Werkstoffe. Das Phänomen beobachtet jeder andauernd im alltäglichen Leben. Und die Leute haben sich schon lange Zeit darüber den Kopf zerbrochen, wie Dinge eigentlich schmelzen. Trotzdem gibt es eine ganze Menge Aspekte, die wir bisher nicht sonderlich gut verstehen."
Schmelzen bedeutet: Der Molekülverbund löst sich auf. Die Prozesse laufen also auf der atomaren Ebene ab und können daher nur mit großem Aufwand sichtbar gemacht werden. Noch schwieriger wird es, wenn man nicht nur die Oberfläche beobachten, sondern in den Kristall eines Festkörpers hineinschauen will. Daher mussten sich die amerikanischen Physiker etwas einfallen lassen. Für ihre Schmelzforschung verwendeten sie ein gelartiges Material aus winzigen Kügelchen.
"Wir haben ganz spezielle Teilchen verwendet, die ihre Größe mit der Temperatur verändern. Wenn sie einen großen Durchmesser haben, bilden sie einen Kristall. Wenn wir die Temperatur erhöhen, werden sie kleiner und der Kristall schmilzt. Das Schöne an so einem gelartigen Kristall ist, dass man seine Atome - wenn Sie so wollen also die Gel-Teilchen - unter dem Mikroskop beobachten kann. Man kann in den Kristall hinein schauen. So können wir beobachten, wie sich die einzelnen Atome bewegen, wenn wir uns dem Schmelzpunkt nähern."
Arjun Yodh und seine Kollegen forschten natürlich nicht ins Blaue hinein. Sie wollten mit ihrem Experiment eine Theorie überprüfen, die voraussagt, wie ein Festkörper möglicherweise schmelzen könnte. Der Übergang vom Festen zum Flüssigen - so heißt es da - beginnt an den Fehlstellen und Korngrenzen, also an den Stellen, an denen das Gitter des Kristalls nicht ganz perfekt und gleichmäßig ist. Mit dieser Hypothese im Hinterkopf nahmen die Forscher aus Pennsylvania ihr Gelkristall genau unter die Lupe.
"Kurz bevor wir den Schmelzpunkt erreichten, konnten wir es sehen: Wenn man die Fehlstellen im Kristall betrachtet, die leicht gegeneinander verschobenen Grenzflächen zwischen zwei Teilen des Kristalls, dann sieht man, dass sie beginnen zu schmelzen, bevor die übrigen Atome im Kristall damit anfangen. Diese Bereiche um die Fehlstellen zeigen ein Phänomen, das wir "Vorschmelzen’ nennen."
"Vorschmelzen" bedeutet auch, dass schon Flüssigkeitsinseln im Kristall entstehen, bevor die eigentliche Schmelztemperatur erreicht ist. Von den Fehlstellen breitet sich das Schmelzen allmählich auf den ganzen Kristall aus. Zum ersten Mal konnte hier also die Schmelztheorie praktisch im Experiment beobachtet und bestätigt werden. Aber die genauen Mechanismen des Schmelzens zu verstehen, ist keineswegs nur eine Frage der Grundlagenforschung, betont Arjun Yodh.
"Wenn man Werkstoffe verarbeitet, macht man das häufig bei hohen Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt der Stoffe, mit denen man es zu tun hat. Daher glaube ich, dass unsere Ergebnisse neue Möglichkeiten eröffnen, um Materialien in der Nähe ihres Schmelzpunktes besser zu kontrollieren."
Ob beim Sintern oder Löten - die Frage, wie genau ein Material nahe dem Schmelzpunkt seine Eigenschaften verändert, ist in der Verfahrenstechnik an vielen Stellen von großer Bedeutung. Unsere sommerlichen Probleme an der Eisdiele werden damit allerdings kaum geringer: Wenn das Eis schmilzt, hilft kein Sinnieren über Fehlstellen und Korngrenzen - sondern nur schnelles Schlecken.
"Uns geht es um das Schmelzen von Feststoffen im Allgemeinen. Das kann Eis sein oder Metall oder auch andere Werkstoffe. Das Phänomen beobachtet jeder andauernd im alltäglichen Leben. Und die Leute haben sich schon lange Zeit darüber den Kopf zerbrochen, wie Dinge eigentlich schmelzen. Trotzdem gibt es eine ganze Menge Aspekte, die wir bisher nicht sonderlich gut verstehen."
Schmelzen bedeutet: Der Molekülverbund löst sich auf. Die Prozesse laufen also auf der atomaren Ebene ab und können daher nur mit großem Aufwand sichtbar gemacht werden. Noch schwieriger wird es, wenn man nicht nur die Oberfläche beobachten, sondern in den Kristall eines Festkörpers hineinschauen will. Daher mussten sich die amerikanischen Physiker etwas einfallen lassen. Für ihre Schmelzforschung verwendeten sie ein gelartiges Material aus winzigen Kügelchen.
"Wir haben ganz spezielle Teilchen verwendet, die ihre Größe mit der Temperatur verändern. Wenn sie einen großen Durchmesser haben, bilden sie einen Kristall. Wenn wir die Temperatur erhöhen, werden sie kleiner und der Kristall schmilzt. Das Schöne an so einem gelartigen Kristall ist, dass man seine Atome - wenn Sie so wollen also die Gel-Teilchen - unter dem Mikroskop beobachten kann. Man kann in den Kristall hinein schauen. So können wir beobachten, wie sich die einzelnen Atome bewegen, wenn wir uns dem Schmelzpunkt nähern."
Arjun Yodh und seine Kollegen forschten natürlich nicht ins Blaue hinein. Sie wollten mit ihrem Experiment eine Theorie überprüfen, die voraussagt, wie ein Festkörper möglicherweise schmelzen könnte. Der Übergang vom Festen zum Flüssigen - so heißt es da - beginnt an den Fehlstellen und Korngrenzen, also an den Stellen, an denen das Gitter des Kristalls nicht ganz perfekt und gleichmäßig ist. Mit dieser Hypothese im Hinterkopf nahmen die Forscher aus Pennsylvania ihr Gelkristall genau unter die Lupe.
"Kurz bevor wir den Schmelzpunkt erreichten, konnten wir es sehen: Wenn man die Fehlstellen im Kristall betrachtet, die leicht gegeneinander verschobenen Grenzflächen zwischen zwei Teilen des Kristalls, dann sieht man, dass sie beginnen zu schmelzen, bevor die übrigen Atome im Kristall damit anfangen. Diese Bereiche um die Fehlstellen zeigen ein Phänomen, das wir "Vorschmelzen’ nennen."
"Vorschmelzen" bedeutet auch, dass schon Flüssigkeitsinseln im Kristall entstehen, bevor die eigentliche Schmelztemperatur erreicht ist. Von den Fehlstellen breitet sich das Schmelzen allmählich auf den ganzen Kristall aus. Zum ersten Mal konnte hier also die Schmelztheorie praktisch im Experiment beobachtet und bestätigt werden. Aber die genauen Mechanismen des Schmelzens zu verstehen, ist keineswegs nur eine Frage der Grundlagenforschung, betont Arjun Yodh.
"Wenn man Werkstoffe verarbeitet, macht man das häufig bei hohen Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt der Stoffe, mit denen man es zu tun hat. Daher glaube ich, dass unsere Ergebnisse neue Möglichkeiten eröffnen, um Materialien in der Nähe ihres Schmelzpunktes besser zu kontrollieren."
Ob beim Sintern oder Löten - die Frage, wie genau ein Material nahe dem Schmelzpunkt seine Eigenschaften verändert, ist in der Verfahrenstechnik an vielen Stellen von großer Bedeutung. Unsere sommerlichen Probleme an der Eisdiele werden damit allerdings kaum geringer: Wenn das Eis schmilzt, hilft kein Sinnieren über Fehlstellen und Korngrenzen - sondern nur schnelles Schlecken.