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Der magische Glasübergang: Wissen Sie, wie hoch die Glasübergangstemperatur ist?
In unserem täglichen Leben kommen wir mit einer Vielzahl von Glasmaterialien in Kontakt, aber nur wenige Menschen denken über die Wissenschaft hinter diesen Materialien nach. Glas ist eine besondere Substanz mit einzigartigen Transformationseigenschaften, insbesondere wenn es von einem Zustand in einen anderen wechselt. Dieses Phänomen wird als Glasübergang oder Glasübergang bezeichnet und ist ein allmählicher und reversibler Prozess, der bei steigender Temperatur von einem harten und spröden „glasartigen“ Zustand in einen viskosen Zustand übergeht.
Der Umwandlungsprozess von Glas ist ein mysteriöses Phänomen, da diese Umwandlung selbst im Temperaturbereich bis 500 K keine wesentlichen Veränderungen in der Materialstruktur hervorruft.
Die Glasübergangstemperatur Tg ist ein wichtiger Parameter, der den Temperaturbereich dieses Übergangs beschreibt. Diese Temperatur ist immer niedriger als der Schmelzpunkt Tm des kristallinen Zustands, da Glas grundsätzlich einen Zustand mit höherer Energie aufweist. Viele starre Kunststoffe wie Polystyrol und Polymethylmethacrylat haben typischerweise eine Tg von etwa 100 °C. Das bedeutet, dass sie unterhalb dieser Temperatur fest bleiben und oberhalb dieser Temperatur weicher und flexibler werden.
Die Anwendung von Gummielastomeren wie Polyisopren und Polyisobutylen ist genau das Gegenteil. Diese Materialien werden in einem Zustand oberhalb ihrer Tg verwendet, in dem sie weich und flexibel erscheinen. Eine solche vernetzte Struktur verhindert den freien Fluss von Molekülen, sodass der Gummi bei Raumtemperatur eine feste Form behalten kann.
Obwohl sich die physikalischen Eigenschaften des Glases ändern, wird der Glasübergang nicht als Phasenwechsel betrachtet, sondern eher als dynamisches Phänomen, das auf der thermischen Vorgeschichte beruht.
Wenn bei vielen Materialien der herkömmliche Gefrierprozess durch schnelles Abkühlen ersetzt wird, wird der kristalline Phasenübergang vermieden und der glasartige Zustand wird direkt gebildet. Solche Materialien haben die Fähigkeit zur Glasbildung, also die Fähigkeit, bei schnellem Abkühlen in einem amorphen Zustand zu bleiben. Diese Eigenschaft hängt mit der Zusammensetzung des Materials zusammen und kann durch die Steifigkeitstheorie vorhergesagt werden. Die nächste Frage ist: Kann sich die Struktur eines Materials, das im glasigen Zustand verbleibt, im Laufe der Zeit weiter entspannen?
Glas verändert innerhalb seines Umwandlungsbereichs langsam seine Struktur. Selbst bei niedrigeren Temperaturen bleibt die Konfiguration von Glas relativ stabil, während die Struktur vieler Materialien nach einer gewissen Erwärmung oder Abkühlung zu einem thermischen Gleichgewicht tendiert. Dieser Prozess demonstriert das Grundprinzip der Gibbs-freien Energieminimierung und stellt eine dynamische Antriebskraft bereit, die es ermöglicht, dass sich die Struktur des Glases im Laufe der Zeit ändert.
Viele Forscher glauben, dass sich Glas in einem dynamisch gesperrten Zustand befindet, in dem seine Entropie und Dichte von seiner thermischen Vorgeschichte abhängen, und dass dieser Zustand kein thermisches Gleichgewicht erreichen wird.
Beim Glasübergang gibt es auch das Schrödinger-Paradoxon, das heißt, wenn die Flüssigkeit unterkühlt wird, nimmt die Entropiedifferenz zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase ab, und die Temperatur, bei der die Entropiedifferenz Null ist, kann abgeleitet werden . Diese Temperatur wird Kauzmann-Temperatur genannt. Dies führte zu der Idee, dass die Flüssigkeit vor Erreichen dieser Temperatur selbstkristallisieren könnte. Die zahlreichen Hypothesen, die Kauzmanns Paradoxon erklären sollen, bieten unterschiedliche Perspektiven auf die Natur des Glasübergangs.
Aus neueren Untersuchungen geht hervor, dass die Definition der Glasübergangstemperatur nicht einheitlich ist und von unterschiedlichen Standards beeinflusst wird. Die Ergebnisse können unter verschiedenen Umständen zu unterschiedlichen Werten führen. Bei diesen Messungen kann jedoch die Abkühl- oder Erwärmungsrate den gemessenen Tg-Wert erheblich beeinflussen. Wenn wir das Phänomen des Glasübergangs in Innenräumen erforschen, fragen wir uns: Gibt es eine genialere Möglichkeit, die zugrunde liegenden Gründe für dieses Phänomen zu verstehen?
