Quarzglaswaren: Eine wissenschaftliche Geheimzutat

Quarzglaswaren sind die geheime Zutat vieler wissenschaftlicher Experimente. Es hält Hitze und Kälte stand, ohne zu reißen, bleibt gegenüber den meisten Chemikalien inert und interagiert nicht mit Licht, eine Eigenschaft, die es vollkommen transparent macht. Es verändert seine Form nicht und bleibt hart, wenn es kalt ist, wird aber flexibel, wenn...

Quarzglaswaren sind die geheime Zutat vieler wissenschaftlicher Experimente. Es hält Hitze und Kälte stand, ohne zu reißen, bleibt gegenüber den meisten Chemikalien inert und interagiert nicht mit Licht, eine Eigenschaft, die es vollkommen transparent macht. Es verändert seine Form nicht und bleibt im kalten Zustand hart, wird aber im heißen Zustand flexibel.

„Quarzglas impliziert Kristalle, aber das ist eine falsche Bezeichnung“, sagt Thomas McNulty, Materialwissenschaftler bei GE Global Research und Quarzexperte. „Obwohl es unterschiedliche Eigenschaften wie kristalline Feststoffe aufweist, ist das Material tatsächlich amorph.“

McNulty sagt, dass Hersteller Quarzglas herstellen, indem sie ultrareinen Quarzsand auf Temperaturen über 3.600 Grad Fahrenheit erhitzen, also über dem Schmelzpunkt von Stahl. „Die Kieselsäure sieht aus wie heller, weißer Strandsand“, sagt McNulty. „Es gibt nur wenige Orte auf der Welt, wo man es bekommen kann, auch hier in den USA in North Carolina.“

Aufgrund des hohen Schmelzpunkts des Materials verwenden die Arbeiter Öfen aus Wolfram und Graphit. Die resultierende Masse aus Quarzglas enthält amorphe Ketten aus reinen Siliciumdioxidmolekülen, die dem Material seine wertvollen Eigenschaften verleihen. Wie ein treues Paar „möchten Silizium und Sauerstoff aneinander gebunden sein“, sagt McNulty. „Da sie so stark gebunden sind, zeigen sie eine geringe Reaktivität mit den meisten anderen Elementen.

McNulty sagt, dass die amorphe Struktur es dem Material auch ermöglicht, seine Form zu behalten, selbst wenn es thermischen Schocks ausgesetzt ist. Der sogenannte „Wärmeausdehnungskoeffizient“ von Quarzglas ist 100-mal kleiner als der der meisten Metalle. „Man kann ein Ende kalt und das andere heiß halten, dann reißt es nicht“, sagt McNulty.

Glasarbeiter formen das Material zunächst zu Röhren und anderen Grundformen und schicken es zur weiteren Verarbeitung an Labore. In den Laboren von GE Global Research im Bundesstaat New York sind zwei Vollzeitmitarbeiter beschäftigt, die die Rohre zu maßgeschneiderten Reaktoren für Chemiker, Muffelrohren für Reinraumöfen, Bechergläsern und anderem Laborgeschirr für bestimmte Experimente formen.

Das Wundermaterial hat tatsächlich eine Achillesferse. „Jedes Mal, wenn man die Oberfläche ritzt, verliert es ziemlich schnell seine mechanischen Eigenschaften“, sagt McNulty. „Es ist ein technisches, kein strukturelles Material. Wir brauchen viele, viele Röhren.“

Hier kommt Bill Jones (oben) ins Spiel. Seit 33 Jahren stellt er bei GE maßgeschneiderte Glaswaren her. Jones befestigt die Quarzrohre in Graphitspannfuttern auf einer speziellen Glasdrehmaschine, erhitzt sie mit einem Halbkreis aus Gasbrennern auf 3.000 Grad Fahrenheit, wo das Material zähflüssig wie Karamell wird, und bringt es mit Graphitpaddeln in die gewünschte Form. „Dafür gibt es keine Schule“, sagt McNulty. „Man lernt es in der Werkstattumgebung. Es ist ein bisschen Kunst.“

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