Warum ist Glas durchsichtig?

Glas ist Sand, der sich nicht mehr versteckt. Sein Hauptbestandteil ist Quarz, dasselbe Mineral, aus dem ein großer Teil des Sandes am Strand besteht. Trotzdem lässt eine Handvoll Sand nichts durch, und ein Fenster zeigt dir alles. Warum ist Glas durchsichtig, Sand aber nicht? Die Antwort hat zwei Teile, die zusammengehören: Der eine handelt von Elektronen, die kein kleines Trinkgeld annehmen, der andere von Ordnung und Unordnung. Unterwegs begegnen dir ein Mythos, der es bis in eine ehrwürdige Enzyklopädie geschafft hat, eine Holzplatte, durch die man durchschauen kann, und Autoscheiben, die mehr Sonne durchlassen, als man denkt.

Elektronen, die kein kleines Trinkgeld nehmen

Licht kommt in kleinen Energiepaketen an, den Photonen. Trifft ein Photon auf ein Material, passiert eins von zwei Dingen: Ein Elektron im Material nimmt es auf, oder keiner will es, und das Photon fliegt weiter.

Damit ein Elektron ein Photon aufnimmt, muss das Photon ihm genau die Energie liefern, die es braucht, um auf eine höhere Stufe zu klettern. Elektronen nehmen nicht irgendeinen Betrag. Entweder du gibst ihnen exakt das, was sie für die nächste Stufe brauchen, oder es gibt kein Geschäft. Der Einführungskurs in die Werkstoffkunde der Pennsylvania State University erklärt es mit Reihen: Die Elektronen eines Atoms dürfen nur in bestimmten Reihen sitzen, und für den Wechsel in die nächste brauchen sie einen Schubs von genau der richtigen Größe.

Im Glas liegen diese Reihen so weit auseinander, dass ein Photon des sichtbaren Lichts kein Elektron springen lassen kann. Das Photon kommt an, kein Elektron kann es nehmen, und es fliegt weiter. Nimm das mal mit der unvorstellbaren Menge an Photonen, die durch ein Fenster fallen, und du hast ein Material, das Licht fast unberührt durchlässt.

Das ist die erste Bedingung für Durchsichtigkeit: Sichtbares Licht darf nicht verschluckt werden. Allein reicht das aber nicht. Sand schluckt auch nicht besonders viel Licht, und trotzdem siehst du nicht hindurch.

Warum ist Glas durchsichtig und Sand nicht?

Hier kommt die zweite Zutat ins Spiel: Ordnung. Der Quarz im Sand ist kristallin. Seine Atome sitzen in einem regelmäßigen Gitter, und jedes Korn hat Flächen, Kanten und Fehlstellen. Laut demselben Kurs aus Penn State reflektieren und streuen diese Kristallkanten und Defekte das Licht. Jedes Mal, wenn ein Lichtstrahl von einem Korn ins nächste wechselt oder vom Korn in die Luft, ändert er die Richtung. Nach Tausenden solcher Abpraller kommt das Licht irgendwo heraus, und das Bild ist weg. Deshalb sieht ein Sandhaufen weiß oder golden aus, aber durchschauen kannst du ihn nicht.

Glas besteht fast aus demselben Zeug, mit einem Unterschied: Seine Atome bilden keine Kristalle. Sie bleiben durcheinander wie in einer Flüssigkeit, aber an Ort und Stelle eingefroren. Fachleute nennen so etwas ein amorphes Material. Diese amorphe Struktur, so Penn State, bricht die Bandstruktur auf, die kristalliner Quarz hätte, sodass keine Energieniveaus übrig bleiben, in die ein Elektron springen könnte, indem es sichtbares Licht aufnimmt. Und weil es innen keine Körner und Kanten gibt, ist das Material im mikroskopischen Maßstab gleichmäßig, und das Licht hat nichts, woran es abprallen könnte.

Unterm Strich: Glas ist durchsichtig, weil seine Elektronen sichtbares Licht nicht aufnehmen können und weil es keine inneren Grenzen hat, die das Licht ablenken. Sand besteht die erste Prüfung halb und fällt bei der zweiten durch.

Holz, durch das man schauen kann

Wenn der Trick darin liegt, nicht zu schlucken und nicht zu streuen, müsste jedes Material durchsichtig werden, das beides schafft. 2016 hat ein Team der Königlich Technischen Hochschule KTH in Stockholm unter der Leitung von Lars Berglund genau das mit Holz gezeigt.

Die Schweden entfernten aus einem dünnen Holzfurnier chemisch das Lignin, einen Bestandteil der pflanzlichen Zellwände. Das Furnier wurde weiß und porös, aber immer noch undurchsichtig. Dann füllten sie die Poren mit einem durchsichtigen Polymer und stimmten die optischen Eigenschaften beider Materialien im Nanomaßstab aufeinander ab, damit das Licht den Übergang vom einen ins andere gar nicht bemerkt.

Das Ergebnis, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Biomacromolecules, war Holz, durch das man hindurchsehen kann. Keine Zauberei: Sie haben entfernt, was färbte, und die Lücken gestopft, in denen das Licht verloren ging. Glas macht dasselbe, ohne dass man es darum bitten muss.

Ultraviolett kommt nicht durch

Wenn sichtbares Licht durchkommt, weil ihm Energie fehlt, müsste energiereicheres Licht hängen bleiben. Genau so ist es. Ultraviolette Photonen bringen genau die richtige Energie mit, damit die Elektronen im Glas sie aufnehmen, erklärt Penn State. Deshalb bremst Glas die Sonnenstrahlen, die bräunen.

Das Kleingedruckte: Laut einem Online-Kurs zur Glasherstellung, den die Lehigh University anbietet und den Professor James E. Shelby hält, liegt die UV-Grenze von handelsüblichem Glas bei etwa 310 Nanometern. Und die kommt weniger vom Glas selbst als vom Eisen, das als Verunreinigung darin steckt. Oberhalb dieser Grenze schlüpft ein Teil des langwelligeren Ultravioletts, das UVA, durch.

Das merkt man im Auto. 2016 maß eine Studie in der Fachzeitschrift JAMA Ophthalmology, wie viel UVA die Scheiben von 29 Autos von 15 Herstellern abhielten. Windschutzscheiben blockierten im Schnitt 96 Prozent. Seitenscheiben nur 71 Prozent im Schnitt, manche gerade mal 44 Prozent. Der Unterschied liegt in der Bauart: Die Windschutzscheibe ist aus Verbundglas, die Seitenscheiben meist aus Einscheiben-Sicherheitsglas. Die Autoren stellten außerdem fest, dass getönte Scheiben, die weniger sichtbares Licht durchlassen, nicht zuverlässig mehr UVA abhalten.

Das Grün an der Kante

Schau ein Fenster von vorne an, und es wirkt farblos. Schau auf die Kante, und du siehst Flaschengrün. Auch das ist das Eisen.

Shelbys Kurs sagt es klar: Eisen ist die häufigste Verunreinigung in den Sanden, aus denen Glas gemacht wird, und der häufigste Farbgeber in handelsüblichem Glas. Es färbt Flachglas in verschiedenen Grüntönen und Flaschen grün oder braun. In der Dicke eines normalen Fensters ist die Farbe kaum zu sehen. Schaust du aber durch die Kante, läuft das Licht durch viele Zentimeter Glas statt durch ein paar Millimeter, und das Grün summiert sich, bis es ins Auge springt.

Es loszuwerden ist mühsam. Für das klarste Glas, das die Industrie „wasserweiß“ nennt, muss der Großteil des Eisenoxids raus. Manchmal will man es aber behalten: Autoglas enthält absichtlich mehr Eisen, weil eine Form des Eisens das Ultraviolett bremst, das Kunststoffe kaputt macht, und eine andere hilft, die Wärme zu bändigen, die mit der Sonne hereinkommt.

Kirchenfenster laufen nicht nach unten

Jetzt zum Mythos. Am Stammtisch hast du ihn sicher schon gehört: Glas sei in Wahrheit eine extrem zähe Flüssigkeit, und der Beweis seien mittelalterliche Kirchenfenster, die unten dicker sind, weil das Glas über Jahrhunderte nach unten gesackt sei.

1998 setzte sich der Werkstoffingenieur Edgar Dutra Zanotto von der Bundesuniversität São Carlos in Brasilien hin und rechnete nach, nachdem ihn Studierende und Kollegen mehrfach danach gefragt hatten. In seinem Artikel im American Journal of Physics schreibt er, er habe das zuerst für einen brasilianischen Mythos gehalten. Dann erfuhr er, dass ein Kollege die Geschichte in Argentinien gehört hatte, und ein Gutachter der Zeitschrift bestätigte, dass sie auch in den USA weit verbreitet sei. Sie stand sogar in einem Lehrbuch der Werkstoffwissenschaft und in der ehrwürdigen Encyclopaedia Britannica.

Zanotto rechnete nicht nur mit modernem Fensterglas. Sein Artikel enthält die Zusammensetzung eines gelben mittelalterlichen Glases aus der Kathedrale Saint-Gatien in Tours in Frankreich, dazu eine Tabelle, wie stark mittelalterliche Rezepturen schwankten: Der Anteil von Siliziumdioxid, dem Hauptbestandteil, lag zwischen 45 und 75 Prozent.

Seine Ergebnisse waren vernichtend. Um in 800 Jahren ein merkliches Fließen zu sehen, müsste man ein typisches mittelalterliches Glas auf etwa 414 Grad erhitzen. Bei Zimmertemperatur würde Fensterglas nur in Zeiträumen fließen, die weit über die Menschheitsgeschichte hinausgehen. Und er nennt einen Beweis, den jeder selbst prüfen kann: In Museen stehen Glasgefäße, die Tausende von Jahren alt sind und sich nicht verformt haben.

Warum sind manche Kirchenfenster dann unten dicker? Zanotto liefert eine Erklärung aus der Werkstatt. Altes Fensterglas wurde zu Zylindern geblasen, die man dann aufschnitt und von Hand flach machte. Die Stücke fielen ungleichmäßig aus, also konnten manche unteren Teile dicker sein als die oberen, genauso wie andere dünner.

2018 bekam die Geschichte eine zweite Runde. John Mauro, Forscher an der Penn State, rechnete mit der tatsächlichen Zusammensetzung des Glases aus dem 13. Jahrhundert in den Fenstern der Westminster Abbey neu. Er fand heraus, dass frühere Schätzungen um 16 Größenordnungen danebenlagen: Dieses Glas fließt viel schneller als gedacht. Trotzdem würde es Milliarden Jahre dauern, bis sich seine Form um ein paar Nanometer verändert. Der Mythos bleibt tot, nur mit einem genaueren Totenschein. Mauro fasst es so zusammen, dass Glas ein Zwitter ist: im Aufbau wie eine Flüssigkeit, im mechanischen Verhalten wie ein Festkörper.

Murano und die verbannten Öfen

Glasöfen haben einen Nachteil: Sie setzen Dinge in Brand. 1291 ordnete die Republik Venedig laut dem offiziellen Tourismusportal Italiens an, die Glashütten der Stadt auf die Insel Murano zu verlegen, um die Brände einzudämmen, die die Öfen der Werkstätten immer wieder auslösten. Was als Brandschutzmaßnahme begann, brachte alle Glasmacher Venedigs auf eine Insel, und dasselbe Portal nennt Murano die Heimat des mundgeblasenen Glases.