Glas ist ein ganz besonderes Material: Es l?sst sich in nahezu unbegrenzter Vielfalt aus Mischungen beinahe aller Elemente des Periodensystems herstellen. Einzige Voraussetzung ist, dass sich die Bestandteile gemeinsam schmelzen lassen und die Schmelze danach schnell genug abgekühlt wird. Dabei erstarrt das flüssige Gemisch und bildet ein Glas. ?Glas ist also eine eingefrorene Flüssigkeit“, veranschaulicht Glaschemiker Prof. Dr. Lothar Wondraczek von der Universit?t Jena. So gro? die Vielfalt in der Zusammensetzung, so vielf?ltig sind auch die Eigenschaften der resultierenden Gl?ser.?

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: es gibt zwar grunds?tzlich keine wiederkehrende, periodische Anordnung der Atome, aber doch eben auch keine reine Zuf?lligkeit. Stattdessen existieren bestimmte Bauregeln und Zusammenh?nge, die sich aus der Interaktion der Bestandteile miteinander ergeben. ?Um chemische Rezepte für Gl?ser mit angepassten Eigenschaften zu finden, sind oftmals langwierige und experimentell aufwendige Optimierungsprozesse notwendig“, sagt Wondraczek. ?Eine besondere Herausforderung ist es also, genau diejenigen Bauregeln und chemischen Zusammenh?nge zu finden, die für eine bestimmte Eigenschaft oder Eigenschaftskombination von Bedeutung sind.“ So kann das Zusammenspiel bestimmter chemischer Komponenten zum Beispiel zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit führen. Soll das Glas aber beispielsweise für Batterieanwendungen auch eine festgelegte Ionenleitf?higkeit aufweisen, k?nnten g?nzlich andere chemische Zusammenh?nge relevant sein. Aktuell haben die Forschenden um Lothar Wondraczek nun ein Verfahren vorgestellt, welches die Suche nach solchen korrelierten Abh?ngigkeiten zukünftig deutlich schneller und effizienter machen kann. Wie sie im Fachmagazin ?Advanced Science“ berichten, erhoffen sie sich davon neue Wege zu Glaswerkstoffen mit optimierten Eigenschaften.

Welche ?Gene“ bestimmen die Materialeigenschaften?

Die den praktischen Eigenschaften zugrundeliegenden struktur-chemischen Zusammenh?nge werden – in Anlehnung an die Lebenswissenschaften – plakativ als ?Gene“ bezeichnet; die Gesamtheit aller Eigenschaften eines Werkstoffs ergibt sich demnach aus seinem ?Genom“. Exemplarisch haben sich die Jenaer Forschenden die Leitf?higkeit für Natriumionen zum Ziel gesetzt. Für diese soll in komplexen, sogenannten polyionischen Gl?sern ergründet werden, welche Kombinationen chemischer Komponenten urs?chlich für die praktisch erreichbare Leitf?higkeit sind. Solche ionenleitenden Gl?ser k?nnen zum Beispiel in Festk?rperbatterien Anwendung finden. ?Zun?chst ben?tigen wir dafür einen ausreichend gro?en und verl?sslichen Satz aus experimentellen Daten, welchen wir dann mit Methoden der Genomanalyse untersuchen k?nnen“, sagt Zhiwen Pan, Erstautor der vorgelegten Publikation. Vergleichbar mit in der Bioinformatik verwendeten Ans?tzen wird so nach den eigenschaftsbestimmenden ?Genen“ gesucht, nur dass es sich in diesem Fall um ein Material und nicht um einen lebenden Organismus handelt.?