Glasübergangstemperatur

[alaun]

Hallo,

die Glasübergangstemperatur, ist ja die Temperatur, bei der amorphe Stoffe flüssig werden.

Bei Wikipedia steht: "Ein Glas bildet sich, wenn eine Flüssigkeit schneller abkühlt, als sich Kristallisationskeime bilden können", aber eine unterkühlte Schmelze basiert ja auch darauf, dass eine Flüssigkeit unter ihren Gefrierpunkt abgekühlt werden kann, wenn nicht genügend Kristallisationskeime vorhanden sind. Wann tritt also der Fall ein, dass es fest wird oder flüssig bleibt?

[anne steinicke]

Das interessiert mich auch...

[Dr. Joachim Schäfer]

Hallo ihr beiden,

bei einer kristallinen Substanz (definiert durch einen kristallinen Substanzaufbau, der sehr geordent ist) gibt es einen Übergang zwischen fest und flüssig, den man Schmelzpunkt nennt. Bei amorphen Stoffen findet diese Umwandlung (ohne geordneten Aufbau, man spricht hier daher nur von glasartig und gummiartig) bei der Glasübergangstemperatur statt.

Beantwortet das die Frage?

Viele Grüße,
Joachim Schäfer

[alaun]

Hallo,

schonmal Danke für Ihre Antwort. Dieser Sachverhalt beim Erwärmen ist mir klar, jedoch bezieht sich meine Frage auf den umgekehrten Fall: Woran liegt es, was beim Abkühlen passiert. Gemeinsam ist beiden von mir beschriebenen Phänomenen, dass nicht genügend Kristallisationskeime vorhanden sind - worin unterscheiden sie sich aber, dass das eine flüssig bleibt (unterkühlte Schmelze) und das andere fest, also zum Glas wird (amorpher Festkörper)? Denn eine Flüssigkeit ist ja nicht amorph...

Ich hoffe, ich habe meine Frage etwas verständlicher beschreiben können.

[Dr. Joachim Schäfer]

Hi,

du hast schon recht: Ein Flüssigkeit ist nicht amorph. Eine Schmelze ist eine Flüssigkeit, die so hoch erhitzt ist, dass es auf molekularer Ebene keine Ordnung gibt. Kühlst du eine Schmelze ab, ohne dass es zur Kristallisation kommt, ist die Schmelze unterkühlt. Dieser Zustand ist metastabil. Wenn du eine unterkühlte Schmelze weiter abkühlst (schnell!), ohne dass es zu einer (evtl. möglichen) Kristallisation kommt, und du den Glasübergangsbereich unterschreitest, dann wird aus der unterkühlten Schmelze ein amorphes festes System (ein "Glas").

Wodurch entscheidet sich das? Betrachten wir zwei Extremfälle: Eine Substanz wie NaCl neigt so stark zur Kristallbildung, dass es beim Abkühlen einer Schmelze nicht zu Unterkühlung kommt. Ein Polymer bildet in der Regel keine Fernordnung aus, die einzelnen Ketten durchdringen sich eher (wie ein Wollknäuel) und begünstigen also den amorphen Zustand.

Es hängt also im Einzelnen von der Substanz ab. Die Umgebungsbedingungen beeinflussen diese Erscheinnungen natürlich. Es gibt aber keine Gesetzmäßigkeit, die eine grundsätzliche Aussage macht, wann oder was oder wie genau oder zu welcher Zeit etwas geschieht.

[alaun]

Also liegt es auch an der Abkühlgeschwindigkeit und dem "Kristallisationsbestreben".

Vielen Dank, so macht das jetzt auch Sinn!

[matthias]

Ich hätte da eine Frage zu den Kryoprotektoren?!
Wenn ich das jetzt auf die Gefriertrocknung beziehe, bei der ja Kryoprotektorben eingesetz werden die diese Glasbildung ermöglichen und dadurch das auskristallisieren von anderen Substanzen verhindert bzw. die Bildung von amorphen Strukturen welche zum Zusammenfall führne können.
So muss also ein Kryoprotektor gewählt werden der eine niedrigere Tg besitzt als die Temperatur der Kristallisation von z.b. NaCl, oder worauf müsste ich bei der Auswahl achten?
Sprich, Kryoprotektoren wären die letzten Stoffe beim Einfrieren die einen amorphen Zustand bilden, sodass ein Auskristallisieren der anderen Stoffe nicht möglich ist?
Oder verwechsel ich da was?

Vielen Dank und schönen Gruß

[Maike Noah]

Hallo matthias,
bitte entschuldigen Sie. Ihre Frage wurde wohl übersehen.
Ich habe Herrn Schäfer kontaktiert, so dass er sich alsbald bei Ihnen melden wird.

Beste Grüße und ein schönes Wochenende
Maike Noah

[Dr. Joachim Schäfer]

Oh, hoppla, da habe ich wohl die Anschlussfrage übersehen.

Im Grundsatz ist diese Beschreibung nur so halb richtig. Ich würde in diesem Zusammenhang nicht von Kryoprotektion sprechen. Du frägst ja eher nach einer Einbettung einer kristallinen Substanz in einen amorphen Träger, oder?
Wenn dem so ist, spielt die Kristallisationstemperatur ja keine Rolle, weil wir uns in einer Flüssigkeit befinden. Diese wird einfach glasartig und die (kristalline) Substanz im Glas eingebettet. So einfach ist es in der Praxis zwar dann doch nicht, weil sich sehr viele verschiedene Faktoren beeinflussen. Das soll aber als prinzipielle Betrachtung genügen.
Von Kryoprotektion spricht man beim Gefriertrocknen von Proteinen, um die Struktur dieser komplexen Moleküle so gut wie möglich zu erhalten.

Ich empfehle an dieser Stelle für alle Interessierten den Artikel "Stabilisierung von Peptidarzneistoffen durch Gefriertrocknung" aus eurer Universitätsbibliothek!

Viele Grüße,
Joachim Schäfer