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Ringmoleküle weisen gegenseitige Einfädelungen auf © Jan Smrek/Universität Wien
Ringmoleküle weisen gegenseitige Einfädelungen auf © Jan Smrek/Universität Wien

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Wie sich Ringe zu neuartigem Glas zusammenballen

08.01.2020

Wie aus mehreren langen, ringförmigen Molekülen eine neuartige Form von Glas werden kann, zeigen Polymerforscher aus Wien und Deutschland. Im Rahmen ihrer Studie machten sie die Ringe beweglicher, was dazu führte, dass sie sich verhedderten und jenes "aktive topologische Glas" bildeten, das die Wissenschafter nun im Fachjournal "Nature Communications" vorstellten.

Herkömmliches Glas entsteht, wenn Ketten aus Molekülen ungeordnet und dicht beieinander liegen und dann rasch abgekühlt werden. Dadurch werden die ursprünglich frei beweglichen Bestandteile von ihren Nachbarmolekülen in ihrer Bewegungsfreiheit stark eingeschränkt. So entsteht etwa das bekannt durchsichtige und relativ feste Fensterglas aus Siliziumdioxid-Molekülen.

Die Vermutung, dass es auch noch eine andere Form von Glas geben könnte, hegen Wissenschafter bereits seit rund 25 Jahren, hieß es in einer Aussendung der Universität Wien. Diese andere Art des Glases würde sich demnach nicht aus Molekülketten, sondern aus langen Ringen aus vielen verbundenen Molekülen zusammensetzen. Die feste Struktur entsteht demnach, wenn sich längere Ringe sozusagen ineinander verheddern und so deren Bewegung verhindert wird. Sind diese langen Ringpolymere dann derart aufgefädelt, kann sich auch kaum einer der vielfach verworrenen Ringe aus der Verbindung verabschieden, was die glasartige Verbindung recht stabil werden ließe.

Freilich, beobachtet wurde ein solcher theoretisch vorhergesagter Zustand bisher noch nicht, was die Wissenschafter darauf zurück führten, dass es ziemlich langer Ringpolymere bedarf, um zu diesem Zustand zu kommen. Derart lange Ringe ließen sich jedoch bisher nicht künstlich herstellen.

Ringsegmente beweglicher gemacht

Das Team um Iurii Chubak und Jan Smrek vom Arbeitsbereich Computergestützte Physik und Physik der Weichen Materie an der Uni Wien setzte nun auf einen anderen Zugang: "Anstelle des unphysikalischen Einfrierens der Ringe haben wir in unseren Simulationen einige Ringsegmente beweglicher gemacht", so die Forscher. Die derart "aktiv angetriebenen Ringe fädeln und verwickeln sich dann so stark, dass sie sich praktisch nicht aneinander vorbeibewegen können". Mit diesem Trick konnten die Wissenschafter das topologische Glas auch bei derzeit erreichbaren Ringlängen beobachten.

Dieses Material unterscheide sich unter dem Mikroskop stark von herkömmlichem Glas. Die neue Entdeckung lässt die Physiker auch schon über neue Anwendungen nachdenken: So etwa an ein "flüssiges Material mit umkehrbarer Verglasung bei Lichteinwirkung", so der Ko-Autor der Studie, Christos Likos.

Service: https://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-13696-z

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