Geheimnis der Bologneser Tränen gelüftet

Unkaputtbar und fragil zugleich: Das ungewöhnliche Verhalten der tränenförmigen Glastropfen verblüffte schon englische Könige. Denn der Kopf der Bologneser Tränen hält selbst Hammerschlägen stand, doch sie zerfallen sofort, wenn man ihr spitzzulaufendes Ende abbricht. Das Geheimnis ihres sensiblen Schwanzes wurde vor 20 Jahren gelüftet, doch den Grund für die Stabilität des Kopfes haben Forscher erst jetzt herausgefunden.

Wenn man heißes, flüssiges Glas tropfenweise in kaltes Wasser oder Öl fallen lässt, erstarrt das Glas sehr schnell und bildet tränenförmige Gebilde mit dickem Kopf und lang ausgezogenem Glasschwanz. Dass sich diese Glastränen ungewöhnlich verhalten, entdeckte bereits im frühen 17. Jahrhundert Prinz Ruprecht von der Pfalz, ein an der Naturforschung interessierter Adeliger. Er brachte sogar dem englischen König Charles II fünf dieser Tropfen mit und sorgte damit bei Hofe für beträchtliches Aufsehen.

Explosiver Zerfall…

„Seit rund 400 Jahren sind diese Ruperts-Tropfen nun schon eine Kuriosität“, sagt Srinivasan Chandrasekar von der Purdue University. „Berühmte Wissenschaftler und Naturphilosophen haben schon versucht, das Geheimnis dieser Glastränen zu lüften.“ Denn während ihr Kopf sogar harten Hammerschlägen standhält, zerfallen die Tränen instantan zu Glaspulver, wenn man das dünne Ende abknipst oder zerbricht.

Was hinter dem explosiven Zerfall der Tropfen steht, haben Chandrasekar und seine Kollegen schon vor gut 20 Jahren herausgefunden: Highspeed-Aufnahmen enthüllten, dass beim Abknipsen des Schwanzendes winzige Risse mit dem enormen Tempo von 1,9 Kilometern pro Sekunde durch das Glas rasen, die sich dabei immer weiter verzweigen. Dies sprengt das Glas auseinander – schneller als bei einer Schwarzpulver-Explosion.

…und rätselhafte Schlagfestigkeit

Ungeklärt blieb jedoch bis heute, warum der Kopf der Bologneser Tränen so extrem stabil ist. „Wenn man mit einem Hammer auf den Kopf einschlägt, stellt man fest, dass er völlig resistent gegen das Zerspringen ist“, erklärt Chandrasekar. Presst man den Glaskopf zwischen zwei Platten, hält er einer Kraft von 15.000 Newton stand – das entspricht der Last eines größeren Autos.

Was dabei physikalisch passiert, haben die Forscher nun aufgeklärt. Entscheidend dafür war eine Abbildungstechnik, bei der polarisiertes Licht die Stressverteilung im Glas sichtbar macht. Über spezielle Algorithmen lässt sich daraus die Belastungsstärke und -verteilung in jeder Phase des Schlages rekonstruieren.

Stressverteilung im Glaskopf, sichtbar gemacht durch polarisiertes Licht © Aben et al. /Appl Phys. Lett.

Eingebaute „Druckkapsel“

Die Aufnahmen enthüllten: Die spezielle Struktur des Glastropfens sorgt dafür, dass der Kopf so schlagfest ist. Denn die Schichten an der Oberfläche des Kopfes erzeugen beim Schlag starke Kompressionskräfte – und halten das Glas dadurch nur noch fester zusammen. Der Druck kann dabei bis zu 700 Megapascal betragen, wie die Forscher herausfanden.

Diese rundum wirkende „Druckkapsel“ verhindert, dass sich beim Schlag im Glas Risse bilden und ausbreiten. Dadurch wird der Kopf der Bologneser Träne so stabil wie Stahl, so Chandrasekar und seine Kollegen. Wie sie erklären, verdankt die Glasträne dies ihrer schnellen Abkühlung im Wasserbad. Weil die Oberfläche schneller kalt wird als das Innere, wirken die äußeren Schichten schon im Ruhezustand wie ein Druckverband. (Applied Physics Letters, 2017; doi: 10.1063/1.4971339)

(Purdue University, 31.07.2017 – NPO)