E1 Amorphe Struktur und Zachariasens Regeln

Thema

Das Kristallgitter dieses Glases weist keine Fernordnung auf, im Gegensatz zur kristallinen Elementarzelle, die in einem anderen Modell dieser Anordnung – dem Modell für die Struktur einer Keramik – beschrieben wird. Während sich in dieser Keramik die Ionen periodisch in drei Dimensionen wiederholen und ein Gitter bilden, das vollständig durch eine einzige Elementarzelle beschrieben werden kann, existiert diese Periodizität in diesem Glas nicht. Aufgrund der fehlenden Periodizität lässt sich dieses Gitter nicht mehr durch eine Elementarzelle, sondern nur noch durch seine lokale Vernetzung beschreiben: wie jedes Tetraeder im Gitter mit seinen unmittelbaren Nachbarn verbunden ist, ohne dass sich dieses Muster darüber hinaus vorhersagbar wiederholt.

Jedes Tetraeder im Gitter ist auf zwei verschiedene Arten mit seinen Nachbartetraedern verbunden: über ein Brückensauerstoffatom, das ein Tetraeder mit einem anderen benachbarten Tetraeder teilt und diese miteinander verbindet, oder über ein nicht-brückenbildendes Sauerstoffatom, das nur an ein einziges Tetraeder gebunden bleibt, ohne dieses mit anderen zu verbinden. Ein Tetraeder mit mehr Brückensauerstoffatomen ist mit mehr benachbarten Tetraedern verbunden. Ein höherer Anteil an nichtbrückenden Sauerstoffatomen hingegen führt zu weniger Verbindungen mit benachbarten Tetraedern.

Das Verhältnis zwischen nichtbrückenden Sauerstoffatomen und netzwerkbildenden Kationen quantifiziert insgesamt den Depolymerisationsgrad des gesamten Netzwerks: Ein höheres Verhältnis resultiert in einem Netzwerk aus kleineren, weniger stark vernetzten Einheiten, was auf eine stärkere Depolymerisation hindeutet; ein niedrigeres Verhältnis resultiert in einem Netzwerk aus größeren, stärker vernetzten Einheiten, was auf eine geringere Depolymerisation hindeutet und es einem vollständig polymerisierten Netzwerk aus Tetraedern, die nur durch Brückensauerstoffatome verbunden sind, annähert.

Obwohl dieses Netzwerk keine Fernordnung aufweist, besitzt es eine gewisse Nahordnung: Abstand und Winkel zwischen einem Tetraeder und seinem direkten Nachbarn bleiben im gesamten Glas relativ konstant, wobei sich dieses Muster jenseits des direkten Nachbarn nicht periodisch wiederholt. Das Vorhandensein dieser Nahordnung trotz fehlender Fernordnung ermöglicht ihre Charakterisierung durch den Debye-Strukturfaktor, der aus demselben Beugungsmuster gewonnen wird und bestätigt, dass sich diese Ordnung nicht über diesen Nahbereich hinaus erstreckt.

Daher unterscheidet sich dieses Modell mit seinem anfänglichen Mangel an Fernordnung deutlich von dem Modell, das die Struktur einer Keramik beschreibt, in der die kristalline Elementarzelle eine vollständige Fernordnung definiert. Die Tatsache, dass diesem amorphen Gitter dieselbe Ordnung fehlt, bedeutet, dass ein anderes Modell innerhalb dieser Gruppe – nämlich dasjenige, das die Spektroskopie und Beugung dieses Glases beschreibt – experimentell durch den amorphen Halo seines Beugungsmusters bestätigt, dass dieses Fehlen von Fernordnung tatsächlich vorliegt.

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