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Auf Biegen und Brechen
Robert Spatschek ist es in seiner Doktorarbeit am Institut für Festkörperforschung
gelungen, das "Phänomen Riss" in Formeln zu packen. Ihn interessierte: Wie breiten
sich Risse aus? Warum sind Risse mal glatt, mal "gezackt" und warum verzweigen
sie sich zu solch komplizierten Mustern wie bei zerbrochenem Glas?
Risse sind allgegenwärtig und entstehen in jeder Größe: Nanorisse lassen Werkstoffe
altern, ein Rissnetz durchzieht zerbrochenes Glas, Erdbebenspalten trennen
die Kontinente. Mitunter bilden sich sehr ästhetische Rissmuster: Ein Beispiel sind
die sechseckigen Basaltsäulen von "Fingal’s Cave" auf der schottischen Insel Staffa.
Sie entstanden vor vielen Millionen Jahren beim Erstarren von Lava. Starke
thermische Verspannungen ließen das Gestein aufbrechen. Während seiner
Doktorarbeit entwickelte der Physiker Robert Spatschek eine Theorie, die davon
ausgeht, dass Risse wachsen, weil Atome von der Spitze des Risses wegwandern.
Was passiert dabei? Es gibt zwei Gegenspieler: die Energie der Oberfläche und die
elastische Verformung. Die Oberflächenenergie glättet die winzige kugelförmige
Rissspitze. Die elastische Kraft raut allerdings die Oberfläche des Risses auf, da sie
die Atome vorantreibt. Dieses Wechselspiel ist dafür verantwortlich, dass sich der
Riss bewegt. Wie schnell kann er dabei werden? Nach bisherigem Verständnis
sollten sich Risse so schnell wie der Schall ausbreiten. Tatsächlich sind sie nur etwa
halb so schnell – auch dies bestätigt Spatscheks Theorie. Und wenn die Risse doch
mal schneller werden, fangen sie an, sich mehr und mehr zu verzweigen. Der junge
Wissenschaftler konnte sogar zeigen, nach welchen Gesetzen sich viele Risse
verhalten. So wachsen große Risse auf Kosten von kleinen, um zum Beispiel bei
einem Erdbeben Verspannungen im Boden abzubauen.