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Quarz, Quarzglas, Quarzglas, Quarzglas, Quarzglas… die Liste der Begriffe, die zur Beschreibung verschiedener Materialien auf Siliziumdioxidbasis verwendet werden, ist lang, verwirrend und wird oft missverstanden. In diesem Artikel werfen wir einen genauen Blick auf die einzigartigen Eigenschaften von Quarz und Quarzglas (und einigen verwandten Materialien) und klären die Verwirrung um diese Begriffe.

Quarz vs. Silica

Das erste, was Sie über Quarz und Quarzglas wissen sollten, ist, dass beide hauptsächlich aus demselben Inhaltsstoff bestehen: Silica, auch bekannt als Siliciumdioxid. Siliciumdioxid hat die chemische Formel SiO2 und ist der Hauptbestandteil der meisten Glasarten. Die Hauptform, in der Kieselsäure in der Natur vorkommt, ist das Mineral Quarz: ein hartes, transparentes kristallines Material, das einen nennenswerten Teil der Erdkruste ausmacht. Während Quarz hauptsächlich aus Kieselsäure besteht, enthält er je nach geologischer Herkunft auch natürlich vorkommende Verunreinigungen in unterschiedlichen Anteilen.

Siliciumdioxid ist also eine spezifische chemische Verbindung, Siliciumdioxid, mit der chemischen Formel SiO2. Andererseits ist Quarz ein natürlich vorkommendes kristallines Mineral, das hauptsächlich aus Kieselsäure besteht, jedoch einige Verunreinigungen enthält.

Kristalline und amorphe Feststoffe

Um die Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien auf Siliziumdioxidbasis vollständig zu verstehen, müssen wir zunächst die grundlegenden Unterschiede zwischen kristallinen und amorphen Feststoffen untersuchen.

Die Unterscheidung beruht darauf, wie Atome innerhalb der Festkörper angeordnet sind. In einem kristallinen Feststoff sind die Atome in regelmäßigen, sich wiederholenden Mustern angeordnet, die als Kristallgitter bekannt sind. Quarz ist ein Beispiel für ein kristallines Material auf Siliziumdioxidbasis: Silizium- und Sauerstoffatome sind in einer klar definierten geordneten Struktur angeordnet.

In einem amorphen Festkörper haben die Atome jedoch keine langreichweitige Ordnung. Die scheinbar zufällige Anordnung von Molekülen in einem amorphen Feststoff ähnelt der einer Flüssigkeit, außer dass sie fixiert sind und sich nicht bewegen. Die meisten Materialien, die wir als “Glas” betrachten, sind amorphe Feststoffe: tatsächlich kann jedes Material mit einer amorphen atomaren Struktur als “glasig” beschrieben werden.

Ob Atome geordnet angeordnet oder zufällig ausgerichtet sind, kann die Eigenschaften eines Materials tiefgreifend beeinflussen. Eines der auffälligsten Beispiele ist der Glasübergangseffekt amorpher Feststoffe. Außerhalb der Welt von Siliziumdioxid oder anderen Oxid-basierten Materialien werden ungeordnete “glasige” Metalle oft wegen ihrer ungewöhnlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Metallen verwendet.1

Materialien auf Siliziumdioxidbasis – wie Quarz – können sowohl hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung als auch hinsichtlich ihrer kristallinen oder amorphen Eigenschaften charakterisiert werden.

Definieren von Materialien auf Siliziumdioxidbasis

Nachdem wir nun einige wichtige Grundlagen überprüft haben, können wir die Unterschiede zwischen Quarz, Quarzglas und anderen Materialien auf Siliziumdioxidbasis definieren.

Quarz

Wie bereits erwähnt, ist Quarz die Hauptform, in der Kieselsäure in der Natur vorkommt. Quarz ist ein kristalliner Feststoff; während es also sowohl in Bezug auf sein Aussehen als auch in Bezug auf seine chemische Zusammensetzung Glas ähneln kann, hat es sehr unterschiedliche Eigenschaften von Glas.

Industrielle Anwendungen von Quarz (dh dem kristallinen Mineral) sind begrenzt, umfassen jedoch Quarzoszillatoren in elektronischen Systemen – am bekanntesten in Armbanduhren.

Vielleicht verwirrend kann “synthetischer Quarz” für industrielle Quarzanwendungen hergestellt werden. Dies würde vielleicht besser als kristallines Siliciumdioxid bezeichnet werden, wird aber oft einfach als “Quarz” bezeichnet.”

Quarzglas und Quarzglas

Hier bezieht sich das Wort “fused” auf einen Verarbeitungsschritt: Quarzglas ist nominell reines Siliciumdioxid, das geschmolzen und abgekühlt wurde, um einen glasigen, amorphen Feststoff zu bilden. Quarzglas ähnelt anderen Gläsern in vielerlei Hinsicht; aber es enthält keine Zusätze. Quarzglas ist ein Spezialmaterial mit einer Reihe von Hochleistungsanwendungen.

Die Begriffe “Quarzglas” und “Quarzglas” werden häufig synonym verwendet. Genauer gesagt bezieht sich “Quarzglas” auf einen amorphen Feststoff, der durch Schmelzen von natürlich vorkommendem Quarz gebildet wird. Während also Quarzglas angeblich reines SiO2 ist, enthält Quarzglas je nach verwendetem Quarz Verunreinigungen.

Quarzglas und Quarzglas

Diese Begriffe werden typischerweise in einem allgemeineren Sinne verwendet und können normalerweise als austauschbar angesehen werden. Beide Begriffe könnten sich entweder auf Quarzglas oder Quarzglas beziehen.

Anwendungen von Quarzglas

Während Quarzglas Quarz chemisch ähnlich ist, verleiht ihm seine amorphe Struktur eine Reihe von unterschiedlichen und äußerst wünschenswerten thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften.

Gläser enthalten üblicherweise Zusätze wie Alkali, Erdalkalioxid oder andere Oxide, um die Glasverarbeitungstemperatur (Schmelztemperatur) zu senken und die chemischen und physikalischen Eigenschaften zu verbessern – aber Quarzglas ist sehr rein. Folglich hat es höhere Arbeitstemperaturen, bietet aber andere Eigenschaften als andere Gläser.

Quarzglas hat einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass es sich beim Erhitzen oder Abkühlen nicht stark ausdehnt oder zusammenzieht. Infolgedessen ist Quarzglas gegen Wärmestoß in hohem Grade beständig und kann sehr schneller Heizung oder dem Abkühlen widerstehen, ohne zu knacken. Die thermischen Eigenschaften von Quarzglas machen es sehr wertvoll für Hochtemperatur-Industriekomponenten wie Tiegel, Schalen und Boote für die Stahl- und Glasherstellung.2

Quarzglas ist transparent für ein sehr breites Lichtspektrum, das vom tiefen Ultravioletten bis zum fernen Infrarot reicht. Dies macht es zu einer Schlüsselkomponente in optischen Fasern sowie in einer Reihe von Linsen, Spiegeln und anderen UV- oder IR-durchlässigen Optiken.3,4

Quarzglas ist auch chemisch extrem inert und beständig gegen die meisten Säuren (mit der bemerkenswerten Ausnahme von Flusssäure). Diese chemische Inertheit verleiht Quarzglas biomedizinischen Anwendungen, oft in Form von porösem Siliciumdioxid.

Die Kombination aus thermischer Stabilität, Transparenz und Festigkeit macht Quarzglas zu einem starken Kandidaten für neue und sich entwickelnde Anwendungen wie Photolithographiesubstrate, geätzte Mikrowellenschaltungen und als Schutzschicht in Halbleiterbauelementen.

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Referenzen und weiterführende Literatur

1. Glassy metal set to rival steel : Nature News. https://www.nature.com/news/2011/110109/full/news.2011.4.html.
2. Vert, T. Feuerfeste Materialauswahl für die Stahlerzeugung. (John Wiley & Söhne, 2016).
3. Khalaf, A. L., Shabaneh, A. A. A. & Yaacob, M. H. Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphenoxid-Anwendungen in optochemischen Sensoren. in Synthese, Technologie und Anwendungen von Kohlenstoffnanomaterialien 223-246 (Elsevier, 2019). ust-IDNR.:10.1016/B978-0-12-815757-2.00010-3.
4. Wang, S., Zhou, C., Zhang, Y. & Ru, H. tiefgeätzte hochdichte Fused-Silica-Transmissionsgitter mit hoher Effizienz bei einer Wellenlänge von 1550 nm. Appl. Entscheiden. 45, 2567 (2006).