Verglasung

Ein Verglasungsexperiment zur Untersuchung der Atommüllentsorgung in den Pacific Northwest National Labs.

Verglasung ist ein Prozess, bei dem ein Material in einen glasartigen amorphen Feststoff umgewandelt wird, der frei von jeglicher kristallinen Struktur ist, entweder durch rasche Wärmezufuhr oder -abfuhr oder durch Mischen mit einem Zusatzstoff. Die Erstarrung eines glasartigen Feststoffs erfolgt bei der Glasübergangstemperatur (die aufgrund der Unterkühlung niedriger ist als die Schmelztemperatur Tm).

Wenn das Ausgangsmaterial fest ist, beinhaltet die Verglasung in der Regel das Erhitzen der Stoffe auf sehr hohe Temperaturen. Viele Keramiken werden auf diese Art und Weise hergestellt. Verglasung kann auch in der Natur vorkommen, wenn ein Blitz in Sand einschlägt, wo die extreme und unmittelbare Hitze hohle, verzweigte, wurzelartige Strukturen aus Glas erzeugen kann, die Fulgurit genannt werden. In Bezug auf Weißzeugkeramik bedeutet glasartig, dass das Material eine extrem niedrige Durchlässigkeit für Flüssigkeiten, häufig, aber nicht immer, für Wasser, aufweist, wenn es durch ein bestimmtes Prüfverfahren bestimmt wird. Das Gefüge von Weißzeugkeramik enthält häufig sowohl amorphe als auch kristalline Phasen.

Beispiele

Wenn Saccharose langsam abgekühlt wird, ist das Ergebnis Kristallzucker (oder Kandiszucker), aber wenn sie schnell abgekühlt wird, kann das Ergebnis die Form von sirupartiger Zuckerwatte annehmen. Die Verglasung kann auch bei einer Flüssigkeit wie Wasser erfolgen, in der Regel durch sehr schnelles Abkühlen oder die Zugabe von Mitteln, die die Bildung von Eiskristallen unterdrücken. Zusatzstoffe, die in der Kryobiologie verwendet oder von Organismen, die in Polarregionen leben, natürlich produziert werden, nennt man Kryoprotektoren. Arktische Frösche und einige andere ektotherme Tiere produzieren in ihren Lebern Glycerin oder Glukose, um die Eisbildung zu verringern. Wenn arktische Frösche Glukose als Kälteschutzmittel verwenden, werden bei niedrigen Temperaturen große Mengen an Glukose freigesetzt, und eine spezielle Form von Insulin sorgt dafür, dass diese zusätzliche Glukose in die Zellen gelangt. Wenn sich der Frosch im Frühjahr wieder erwärmt, muss die zusätzliche Glukose schnell aus den Zellen entfernt und über die Nieren ausgeschieden und in der Harnblase gespeichert werden. Auch arktische Insekten verwenden Zucker als Kälteschutzmittel. Arktische Fische verwenden Frostschutzproteine, denen manchmal Zucker beigefügt ist, als Kälteschutzmittel.

Anwendungen

Gebräuchliches Kalk-Natron-Glas, das in Fenstern und Geschirr verwendet wird, entsteht durch die Zugabe von Natriumcarbonat und Kalk (Kalziumoxid) zu Siliziumdioxid. Ohne diese Zusätze bildet Siliziumdioxid (bei langsamer Abkühlung) Sand oder Quarzkristalle, kein Glas.

Die Verglasung ist eine bewährte Technik bei der Entsorgung und langfristigen Lagerung von Atommüll oder anderen gefährlichen Abfällen. Die Abfälle werden mit glasbildenden Chemikalien vermischt, um geschmolzenes Glas zu bilden, das dann erstarrt und die Abfälle immobilisiert. Die endgültige Abfallform ähnelt Obsidian und ist ein nicht auslaugendes, dauerhaftes Material, das die Abfälle effektiv einschließt. Die Abfälle können in dieser Form relativ lange gelagert werden, ohne dass eine Kontamination der Luft oder des Grundwassers zu befürchten ist. Bei der Massenverglasung werden Elektroden verwendet, um Boden und Abfälle dort zu schmelzen, wo sie vergraben sind. Die ausgehärteten Abfälle können dann mit geringerer Gefahr einer weit verbreiteten Kontamination exhumiert werden. Nach Angaben der Pacific Northwest National Labs werden bei der Verglasung gefährliche Materialien in eine stabile Glasform gebracht, die Tausende von Jahren hält.

Ethylenglykol wird als Frostschutzmittel für Kraftfahrzeuge verwendet, und Propylenglykol wird eingesetzt, um die Eiskristalle in Speiseeis zu reduzieren und es geschmeidiger zu machen.

Seit Jahren wird Glycerin in der Kryobiologie als Kryoprotektor für Blutzellen und Bullensperma verwendet und ermöglicht die Lagerung bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff. Allerdings kann Glycerin nicht verwendet werden, um ganze Organe vor Schäden zu schützen. Stattdessen forschen viele Biotechnologieunternehmen derzeit an der Entwicklung anderer Kryoprotektionsmittel, die für solche Zwecke besser geeignet sind. Eine erfolgreiche Entdeckung könnte schließlich die Kryolagerung (oder das „Banking“) transplantierbarer menschlicher und xenobiotischer Organe in großen Mengen ermöglichen. Ein wesentlicher Schritt in diese Richtung ist bereits getan. Auf der Jahreskonferenz der Society for Cryobiology im Juli 2005 gab Twenty-First Century Medicine die Vitrifikation einer Kaninchenniere bei -135°C mit dem firmeneigenen Vitrifikationscocktail bekannt. Nach dem Wiederaufwärmen wurde die Niere erfolgreich in ein Kaninchen transplantiert, wobei sie voll funktionsfähig und lebensfähig war.

Im Zusammenhang mit der Kryonik, insbesondere bei der Konservierung des menschlichen Gehirns, wird die Vitrifizierung von Gewebe als notwendig erachtet, um die Zerstörung des Gewebes oder der im Gehirn kodierten Informationen zu verhindern. Derzeit werden Vitrifikationstechniken nur bei Gehirnen (Neurovitrifikation) von Alcor und beim Oberkörper vom Cryonics Institute angewandt, aber beide Organisationen forschen daran, die Vitrifikation auf den gesamten Körper anzuwenden.

Siehe auch

• Amorpher Festkörper
• Kryogenik
• Glas
• Radioaktiver Zerfall

Notizen

• Ashle, Steven. June 2002. Divide and Vitrify. Scientific American.
• Lovgren, Stefan. March 2005. Leichen eingefroren für zukünftige Wiedergeburt von Arizona Company. National Geographic.
• Verglasung: Putting the Heat on Waste.

Alle Links abgerufen am 9. Mai 2020.

• Vitrifikation in der Kryonik
• Flüssigkeitszerbrechlichkeit und Glasübergang in Wasser und wässrigen Lösungen