stuffmatters (Andere)Dieser Artikel ist Teil einer fortlaufenden Besprechung des Buchs “Stuff Matters: Exploring the Marvelous Materials That Shape Our Man-Made World”* von Mark Miodownik. Jeder Artikel dieser Serie beschäftigt sich mit einem anderen Kapitel des Buchs. Eine Übersicht über alle bisher erschienenen Artikel findet man hier.

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Stahl, Papier, Beton, Schokolade, Aerogel und Plastik waren schon an der Reihe. Aber ein sehr wichtiges Material ohne das unsere Welt nicht auskommen würde, fehlt noch. Das treffen wir in Kapitel 7 des Buchs: Glas.

Glas ist eigentlich schon ein ziemlich seltsames Material. Eigentlich ist es nur geschmolzener Sand – sieht dann aber dem Sand überhaupt nicht mehr ähnlich. Glas ist durchsichtig und Sand nicht. Warum ist das so? Miodownik ist der Meinung, dass das die falsche Frage ist. Besser wäre: Wieso ist eigentlich nicht jedes Material durchsichtig? Denn immerhin ist jedes Atom vor allem sehr viel Nichts. Es besteht aus einem Atomkern in der Mitte und Elektronen in einer Hülle außen drum herum und dazwischen ist sehr viel Leere. Der übliche Vergleich ist hier ein Fußballstadion, dessen Größe dem eines Atoms entspricht. Der Atomkern ist dann so groß wie eine Erbse und liegt im Zentrum des Stadiums. Die Elektronen sind so groß wie Sandkörner und befinden sich an den äußeren Sitzplatzen des Stadiums. Licht hätte also genug Platz, um das Atom ungestört zu durchqueren – bei jedem Material, nicht nur bei Glas. Warum also sind manche transparent und manche nicht?

Das liegt an den Quanten! Wie Max Planck schon 1900 festgestellt hat, kann Energie nur in bestimmten, fest definierten “Paketen” transferiert werden. Licht das auf ein Atom trifft, kann also absorbiert werden. Aber nur dann, wenn die Elektronen genau in der richtigen Position sind, um auch exakt die Energiemenge aufnehmen zu können, die im Licht steckt. So wie Energie nicht beliebig aufgeteilt werden kann, können sich auch die Elektronen nicht an beliebigen Positionen in der Hülle der Atome aufhalten. Und um den Sprung von einer erlaubten Position zur anderen zu schaffen, ist eben eine fest definierte Menge an Energie nötig. Wenn das Licht diese Energiemenge mitbringt, dann wird es absorbiert. Und wenn nicht, dann nicht. Im ersten Fall ist das Material undurchsichtig; im zweiten transparent. Das ist übrigens auch der Grund, warum man in einem Auto keinen Sonnenbrand kriegt: Normales Licht hat nicht genug Energie um die Elektronen ausreichend zu schubsen und dringt durch das Glas. Der höherenergetische UV-Anteil des Lichts (der auch für den Sonnebrand zuständig ist), wird von den Elektronen aber absorbiert und Glas ist für UV-Licht daher nicht transparent.

Wie immer erklärt Miodownik nicht nur die grundlegenden chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials sondern erzählt auch jede Menge andere interessante Geschichten. Zum Beispiel, warum es so schwer ist, Glas herzustellen. Da reicht es nicht, einfach Sand in ein normales Feuer zu werfen. Es muss richtig heiß werden; über 1200 Grad Celsius und das schafft man nicht so einfach. Blitze können das aber problemlos und wenn ein Blitz in der Wüste einschlägt, findet man dort oft sogenannte “Fulgurite”; also lange Glasröhren, die aus dem vom Blitz geschmolzenen Sand erzeugt wurden. Die sind nicht nur cool, sondern auch für die Forschung wichtig: In ihnen eingeschlossen sind Luftblasen, die es möglich zu studieren, wie die Atmosphäre zum Zeitpunkt des Einschlags beschaffen war.

Interessant sind auch Miodowniks Ausführungen zur Kulturgeschichte des Glases. Ägypter und Griechen hatten zwar auch schon ein wenig Glas produziert aber so richtig billig und in größeren Mengen konnten es erst die Römer. In Asien, wo man bei vielen Entwicklungen dem antiken Europa voraus war, hat man dagegen kein Glas hergestellt sondern höchstens ein wenig aus dem Westen importiert. Für die Fensterscheiben verwendete man dort zum Beispiel Papier und kein Glas. Das führt Miodownik zu einer interessanten Spekulation: Hat der Mangel eigener Glasproduktion dazu geführt, dass China und Japan in Sachen Naturwissenschaft gegenüber Europa in Rückstand gerieten? Die wissenschaftliche Revolution der Neuzeit wurde ja im 17. Jahrhundert durch zwei Erfindungen angestoßen, die ohne Glas nicht denkbar wären: Teleskop und Mikroskop. Diese Instrumente gelangten erst später nach Asien, als in Europa die neue Naturwissenschaft schon in voller Blüte war.

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Kommentare (28)

  1. #1 Hobbes
    12. Januar 2015

    Glas ist ja streng genommen weniger ein Material als ein Zustand.
    Aber auf jeden Fall ein extrem interessantes Zeug.Wobei ich das “einfache” Quarzglas mit am interessantesten finde.

  2. #2 Alderamin
    12. Januar 2015

    @Florian

    Wie Max Planck schon 1900 festgestellt hat, kann Energie nur in bestimmten, fest definierten “Paketen” transferiert werden. Licht das auf ein Atom trifft, kann also absorbiert werden. Aber nur dann, wenn die Elektronen genau in der richtigen Position sind, um auch exakt die Energiemenge aufnehmen zu können, die im Licht steckt. So wie Energie nicht beliebig aufgeteilt werden kann, können sich auch die Elektronen nicht an beliebigen Positionen in der Hülle der Atome aufhalten. Und um den Sprung von einer erlaubten Position zur anderen zu schaffen, ist eben eine fest definierte Menge an Energie nötig. Wenn das Licht diese Energiemenge mitbringt, dann wird es absorbiert. Und wenn nicht, dann nicht. Im ersten Fall ist das Material undurchsichtig; im zweiten transparent.

    Hmm, ist das wirklich so einfach? Dann würden alle Materialien doch nur Linienabsorber sein (wie die Photosphäre der Sonne). Spielt da nicht auch Streuung und die Planck-Temperaturkurve eine Rolle, Molekülschwingungen, Doppler-Effekt, bei Metallen die freien Elektronen? So ganz klar ist mir der Prozess nicht, welcher Physiker kennt sich aus?

  3. #3 Alderamin
    12. Januar 2015

    @Hobbes

    Glas ist ja streng genommen weniger ein Material als ein Zustand.

    Das erinnert mich an folgende persönliche Anekdote:

    Ich hab’ mir in den 1980ern mal ein Buch über Teleskop-Selbstbau gekauft, in dem wurde dazu geraten, einen (insbesondere großen) Teleskopspiegel nicht senkrecht, sondren stets waagerecht zu lagern (also das Teleskop senkrecht zu stellen), weil er sich sonst unter seinem Gewicht verformen und fließen würde. Das hatte ich für bare Münze genommen und im Usenet in science.astro.amateur auch mal angebracht.

    Meine Güte, bin ich da runtergeputzt worden! Glas fließe nicht! Das sei eine Urban Legend! Zwar zeigten mittelalterliche Fenster oft verdicktes Glas an der Unterseite, was aber auf den damaligen Herstellungsprozess zurück zu führen sei und auf das bewusste Einsetzen der dicken Seite nach unten. Man soll halt nicht alles ungeprüft glauben, was irgendwer druckt, selbst in vermeintlichen Fachbüchern…

  4. #4 Chris
    12. Januar 2015

    Ob es an allen Chemieinstituten (oder Fachbereichen) so war, weiss ich nicht. Die, die ich kennengelernt habe (eine gute Handvoll) jhatten alle eine Glaswerkstatt und einen Glasbläser. Es stimmt zwar, das die Masse des Glases in der Chemie industriell hergestellt wird, aber es werden immer Anpassungen und speziell hergestellte Apparate benötigt. Zusätzlich können Glasbläser auch teure Geräte wieder reparieren (mal eben einen angeschlagenen Schliff an einem Kühler auszutauschen war überhaupt kein Thema). Letzteres ist auch für Studenten in den Praktika interessant, da die Reparaturen häufig erheblich billiger waren, als ein Neukauf. Und der Glasbläser hat von kaputten Teilen auch immer noch Stücke angenommen (beispielsweise heile Schliffansätze von kaputten Kolben), die er dann als Ersatzteile anderswo anflicken konnte. Ich denke, das das definitiv einen eigenen Beitrag wert ist.

  5. #5 Chris
    12. Januar 2015

    @aldermarin, #3: Auch dann würde sich die Linse ja verformen – nur halt in der anderen Richtung.

  6. #6 Karsten
    12. Januar 2015

    Für alle die nicht wissen wie unsere Fensterscheiben hergestellt werden. Die Sendung mit der Maus hat da einen interessanten beitragt gemacht.
    https://www.youtube.com/watch?v=osupFgDVbS4

    Es gibt auch eine Videostrecke von Siemens die sie bei mir auf Arbeit gedreht haben.
    https://www.youtube.com/watch?v=ZZXJm5FzR7w

    MFG Karsten

  7. #7 Alderamin
    12. Januar 2015

    @Chris

    Na ja, der Witz ist, sie verformt sich eben in keiner Richtung, oder nur in Milliarden Jahren, wurde mir damals erklärt. Im GEgensatz zu dem hier.

  8. #8 Chris
    12. Januar 2015

    @aldemarin: Ich weiss. Ich wollte nur darauf hinaus, das der Hinweis unlogisch ist, da sie die Linse auf jeden Fall verformen würde (wenn es diesen Effekt denn gäbe) egal wie sie gelagert ist. Und man könnte den Bau grosser Spiegel in Telekopen auch komplett vergessen.

  9. #9 Bullet
    12. Januar 2015

    @Chris:

    Ob es an allen Chemieinstituten (oder Fachbereichen) so war, weiss ich nicht. Die, die ich kennengelernt habe (eine gute Handvoll) jhatten alle eine Glaswerkstatt und einen Glasbläser. Es stimmt zwar, das die Masse des Glases in der Chemie industriell hergestellt wird, aber es werden immer Anpassungen und speziell hergestellte Apparate benötigt.

    Genau das ist das Problem. Das erste, was ich im praktischen Teil des Studiums machen mußte, war Glasbearbeitung. Denn es gibt immer wieder Situationen, in denen man ein noch etwas dünneres Röhrchen braucht oder noch längeres, aber nur um 18° gewinkeltes Verbindungsstück usw… und nicht zuletzt, um eine Probe in Glas einzuschmelzen, damit der von jenem Teulfelszeug ausgehende Gestank nicht mit der Zeit jeden Stopfen durchdringt. Oder jemanden dummerweise animiert, den Stopfen zu entfernen. 😉

  10. #10 Chris
    12. Januar 2015

    @Bullet: Klar, Röhrchen biegen, ausziehen oder Ampullen abschmelzen haben wir auch gelernt. Aber nicht komplizierteres.

  11. #11 Hobbes
    12. Januar 2015

    @Alderamin:
    Naja das Glas fließen kann stimmt ja schon. Nur eben noch sehr sehr viel langsamer.
    Im Studium wurde bei uns an einem Institut daran geforscht wie man mittels Schall den Fließprozess (Also das Abbauen/verschieben der Kristallgrenzen) hervorrufen kann. Ich fand das damals recht interessant. Habe aber keine Ahnung was daraus geworden ist. Zumal das auch nur bei metallischen Gläsern war.

  12. #12 rolak
    12. Januar 2015

    Hat ein Chemielabor

    Wir wissen nicht, was jenes Labor bestellt, doch…

    Ok, scheint auch professionellen Bedarf zu geben (in Richtung dieses Niveaus kam ich nur beim ChemiePraktikum), aber im privaten Bereich auf jeden Fall. Gab auch nur einen einzigen Laden für Glas-Halbzeug¹ im nahen Städtchen, da hatte ich Anfangs der 70er in meiner heißen Phase fast ne eigene KaffeeKakaotasse stehen.
    Erst ein Rohr zur Spitze ziehen, passend abschneiden zu einer kleinen Düse, dem mundbetrieben PunktSchweißer-plugin für den SpiritusBrenner 😉
    Dann Y- und andere Verbindungen. Insbesondere erinnerlich ist die Kleinserie GärVerschlüsse, als eine ObstweinEpedimie ausbrach, vielleicht Hobbythek-bedingt, ka.

    _____
    ¹ Vollstäbe, Röhren, …

  13. […] Kapitel 6 erzählt Miodownik die Geschichte des Glas. Und erklärt, warum das Zeug eigentlich durchsichtig […]

  14. #14 Peter
    Wertheim
    12. Januar 2015

    Zu dem ins Auge gefassten Artikel zum Thema Glas im Labor möchte ich hiermit unsere Unterstützung anbieten. Sie sind herzlich eingeladen, in unseren Produktionsstätten den gesamten Herstellungsprozess von verschiedensten Laborglasartikeln in aller Ausführlichkeit zu besichtigen. Angefangen bei der Schmelze von Borosilikat-Glas bis hin zur automatisierten und manuellen Weiterverarbeitung mit verschiedensten Heiß- und Kaltbearbeitungs- und Veredlungsverfahren sowie auch den entsprechenden Prüfverfahren.
    Und noch eine Bemerkung zu Prince Rupert Drops:
    Der Grund für das Explodieren der bologneser Träne ist nicht ein gestörtes Gleichgewicht. Limitierender Faktor für die Festigkeit von Glas sind immer Zugspannungen im Bereich von Oberflächenverletzungen. Bei bologneser Tränen steht die Oberfläche unter starker Druckspannung, Zugspannungen treten nur im Zentrum auf. Durch das Abzwacken des „Wurmfortsatzes“ wird eine Oberflächenverletzung in der Zugspannungszone erzeugt wodurch sich die Spannung dann entladen kann.
    Und zu Ägypten:
    Den entscheidenden Entwicklungsschub brachte erst die Erfindung der Glasmacherpfeife, und das war erst ca. 200 v. Chr., und zwar in Syrien.

  15. #15 Nordlicht_70
    12. Januar 2015

    Toller Artikel. Tolle zusätzliche Infos in den Kommentaren. Genau darum ist dies mein Lieblingsblog. 🙂

  16. #16 Frantischek
    12. Januar 2015

    Der höherenergetische UV-Anteil des Lichts (der auch für den Sonnebrand zuständig ist), wird von den Elektronen aber absorbiert und Glas ist für UV-Licht daher nicht transparent.

    Gilt das für alle Glassorten? Würde mich wundern, weil ich mir dann nicht erklären könnte wie das Licht aus UV Lampen rauskommt…

  17. #17 Chris
    12. Januar 2015

    @Frantischek: Für UV-Lampen muss man Quarzglas nehmen, sonst kommt kein UV-Licht raus. Das Absorptionsverhalten hängt von der Glassorte ab.

  18. #18 Florian Freistetter
    12. Januar 2015

    @Peter: “Sie sind herzlich eingeladen, in unseren Produktionsstätten den gesamten Herstellungsprozess von verschiedensten Laborglasartikeln in aller Ausführlichkeit zu besichtigen. “

    Vielen Dank für das Angebot! Wenn ich mal in der Gegend bin, dann komme ich sehr gerne auf das Angebot zurück!

  19. #19 Marco T
    UZH
    12. Januar 2015

    Eine eigene Glasbläserei mit Profis gehört wohl fast immer zu einer Forschungseinrichtung.
    Häufig werden dort Halbfabrikate nach Wunsch der Forscher zuerchtgemacht.
    Aber nur schon das Wissen, wie man etwas (auch mit Fertigmaterial) lösen könnte, ist häufig Gold wert!

    Ein Artikel zum Thema wäre sicher enorm spannend!

  20. #20 Florence
    12. Januar 2015

    Hm, ich bin noch nicht überzeugt was die Durchsichtigkeit des Glases angeht. Die Erklärung berücksichtigt die Breitbandigkeit überhaupt nicht.

    Was den Glasbläser angeht: Die Chemiker an meiner Uni haben mindestens einen und ein kleiner Laden hier für allerlei Laborbedarf hat auch einen. Da hab ich schon Dinge machen lassen die abstruse Größen hatten, ungewöhnliche Anschlussteile usw.
    Definitv sehr nützlich für die DInge die man entweder nicht kaufen kann oder nur in größeren Stückzahlen irgendwo online bekommt.

  21. #21 Florian Freistetter
    12. Januar 2015

    Zur Durchsichtigkeit des Glases hab ich hier noch ein extra Video von Miodownik verlinkt: http://scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2015/01/12/video-glasblaeser-bei-der-arbeit-und-warum-ist-glas-eigentlich-durchsichtig/
    Vielleicht habe ich das aus dem Buch ja auch falsch zusammengefasst/verkürzt…

  22. #22 meregalli
    12. Januar 2015

    Als schulmeisterlicher Korrektor will ich nicht dastehn. Aber weil uns Florian im Adventkalenderrätsel das Ei mit der griechischen Ampel als “Ion” eingebrockt hat, kann ich es mir nicht verkneifen, darauf hinzuweisen, dass es sich bei einer neuzeitlichen Gladiatorenarena um ein STADION handelt.

  23. #23 Florian Freistetter
    12. Januar 2015

    Danke!

  24. #24 PDP10
    13. Januar 2015

    @Frantischek:

    “Gilt das für alle Glassorten? Würde mich wundern, weil ich mir dann nicht erklären könnte wie das Licht aus UV Lampen rauskommt…”

    Nein, das gilt für keine Glasssorte … 😉

    Denn der Satz den Florian oben schreibt:

    “Der höherenergetische UV-Anteil des Lichts (der auch für den Sonnebrand zuständig ist), wird von den Elektronen aber absorbiert und Glas ist für UV-Licht daher nicht transparent.”

    … ist zwar richtig, aber stark vereinfacht.

    Wenn die Intensität der Strahlung hoch genug, oder dass Material dünn genug ist mogeln sich halt mal mehr, mal weniger Photonen auch im UV Bereich durch.

    Das gilt für jede Art von Glas – aber je nach Art mal mehr, mal weniger.

    @Chris hat das Quarzglas bei UV-Lampen ja schon erwähnt, aber seine Aussage ist dennoch nicht ganz richtig.
    Auch bei anderen Glassorten käme UV durch. Nur keine nennenswerte Menge.
    Man möchte aber viel UV mit möglichst wenig Leistung haben, darum nimmt man da Quarzglas.

    Man kann sich also nicht darauf verlassen, dass man als Brillenträger keine Überdosis UV in die Augen bekommt.
    Dafür muss das Glas einen entsprechenden Schutzfaktor haben (und nein, dass machen die Optiker nicht, damit sie ein bischen extra-Kohle einstecken können …).
    Wenn man gerne im Gebirge Skifahren geht oder im Sommer Wochenlang am Strand liegt, sollte man auch tunlichst darauf achten, dass die Sonnenbrille – auch wenn sie aus Glas ist – einen entsprechenden Schutz bietet.

    Die ganze Sache mit Brechung und Absorbtion bei Glas ist halt ein wenig komplizierter aber dadurch nicht weniger faszinierend – im Gegenteil.

    Wen’s interessiert:

    Dieser kurze Artikel hier bei den Scilogs bei Quantenwelt von Joachim Schulz ist ein ganz guter Startpunkt sich damit zu beschäftigen:

    http://www.scilogs.de/quantenwelt/nicht-so-schnell-licht/

    Das ganze hat nämlich eigentlich vor allem mit Polarisation zu tun …

  25. #25 PDP10
    13. Januar 2015

    Ach so, was die Glasbläser-Werkstatt angeht:

    Am Physik – Fachbereich an dem ich studiert habe gabs auch eine.

    Und eine Tischlerei, eine elektronik – Werkstatt, Metallbauer und einen Graphiker nebst mini-Druckerei – das war Handwerker-Mässig eine halbe Kleinstadt da … fehlte nur noch Gas, Wasser, Schei.. ähem … 🙂

    Grundlagenforschung bedeutet halt immer, das meiste, was man so braucht selber zu bauen – habe ich da gelernt.

    Einen LHC kann man ja auch nicht so einfach bei Siemens oder GE bestellen … 🙂

  26. #26 DAD
    13. Januar 2015

    Ich habe in den 80ern eine Ausbildung zum Glasbläser (korrekt: Glasapparatebauer) absolviert. Von meinen Mitazubis in der Berufsschule waren fast alle an Universitäten tätig. Teilweise gab es an einer Uni auch jeweils eine Glasbäserei für Physik und Chemie. Die Besetzung war überwiegend ein Meister, ein Geselle und ein Azubi.

  27. #27 Hans
    14. Januar 2015

    @PDP10, #25:
    Also den Gas und Wasser Installateur hatten wir an der Fachhochschule, wo ich war. ‘ne Holzwerkstatt haben die auch, wie es da mit Metall- und Elektrowerkstätten aussieht, weis ich gar nicht, aber die gibt es sicher auch, auch wenn ich die kaum gesehen habe. Aber da dort ja Ingenieure ausgebildet wurden, von denen viele zuvor eine handwerkliche Ausbildung absolviert und auch ein paar Jahre in dem Beruf gearbeitet hatten, wussten die natürlich auch selber, wo sie günstig irgendwas bauen lassen konnten, so sie es brauchten (manche z.B. im Betrieb der Eltern). Oder die haben es gleich selber gebaut, als Teil einer umfangreicheren Studien- oder Diplomarbeit. Denn die Labore aus dem Fachbereich Elektrotechik hatten alle einen mehr oder weniger grossen Bereich zum Platinen herstellen und löten. Auch die, die sich sonst eher mit den hohen Strömen (also > 10A) bzw. Spannungen (also > 1000V) befasst haben.

  28. #28 PDP10
    14. Januar 2015

    @Hans:

    “Also den Gas und Wasser Installateur hatten wir an der Fachhochschule, wo ich war.”

    Echt?

    Bei uns gab’s garantiert keine … jedenfalls wenn ich an den Zustand der Klos denke 🙂

    Da musste immer der Hausmeister ran. Und der hat dann halt mal kurz rein geguckt und “uärks” gesagt und dann ein Schild draussen ran gehängt … 🙂