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Thermal expansion and the glass transition

  • Melting is well understood in terms of the Lindemann criterion, which essentially states that crystalline materials melt when the thermal vibrationsof their atoms become so vigorous that they shake themselves free of the binding forces. This picture does not necessarily have to hold for glasses, where the nature of the solid–liquid cross-over is highly debated. The Lindemann criterion implies that the thermal expansion coefficients of crystals are inversely proportional to their melting temperatures. Here we find that, in contrast, the thermal expansion coefficient of glasses decreases more strongly with increasing glass temperature, which marks the liquid–solid cross-over in this material class. However, this proportionality returns when the thermal expansion coefficient is scaled by the fragility, a measure of particle cooperativity. Therefore, for a glass to become liquid, it is not sufficient to simply overcome the interparticle binding energies. Instead, more energy must beMelting is well understood in terms of the Lindemann criterion, which essentially states that crystalline materials melt when the thermal vibrationsof their atoms become so vigorous that they shake themselves free of the binding forces. This picture does not necessarily have to hold for glasses, where the nature of the solid–liquid cross-over is highly debated. The Lindemann criterion implies that the thermal expansion coefficients of crystals are inversely proportional to their melting temperatures. Here we find that, in contrast, the thermal expansion coefficient of glasses decreases more strongly with increasing glass temperature, which marks the liquid–solid cross-over in this material class. However, this proportionality returns when the thermal expansion coefficient is scaled by the fragility, a measure of particle cooperativity. Therefore, for a glass to become liquid, it is not sufficient to simply overcome the interparticle binding energies. Instead, more energy must be invested to break up the typical cooperative particle network that is common to glassy materials. The thermal expansion coefficient of the liquid phase reveals similar anomalous behaviour and is universally enhanced by a constant factor of approximately 3. These universalities allow the estimation of glass temperatures from thermal expansion and vice versa.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:P. LunkenheimerORCiD, A. LoidlORCiD, Birte RiechersORCiD, A. ZacconeORCiD, K. SamwerORCiD
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Nature Physics
Jahr der Erstveröffentlichung:2023
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.0 Abteilungsleitung und andere
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:Nature Publishing Group
Verlagsort:London
Erste Seite:1
Letzte Seite:7
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Glass; Glass transition; Lindemann criterion; Thermal expansion
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Materialdesign
DOI:10.1038/s41567-022-01920-5
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-570267
ISSN:1745-2473
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:22.02.2023
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:13.03.2023
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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