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Kristallkunde : Ein Geflecht mit seltsamer Symmetrie

2011 gewann der israelische Forscher Daniel Shechtman den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung der Quasikristalle. Bild: AFP

Lange Zeit bezweifelte man die Existenz von sogenannten „Quasikristallen“. Nun weiß man: Diese seltsamen Kristalle können tatsächlich bestehen - und deutschen Forschern ist jetzt ein experimenteller Durchbruch gelungen.

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          Seit ihrer Entdeckung durch den israelischen Chemie-Nobelpreisträger Daniel Shechtman vor 34 Jahren gehören Quasikristalle zu den großen Rätseln der Festkörperphysik. Sie besitzen im Unterschied zu klassischen Kristallen keine periodische Struktur, obwohl sie streng nach einem übergeordneten Muster angeordnet sind.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Lange Zeit wurden die Beobachtung von Shechtman angezweifelt und die Existenz von Quasikristallen in Frage gestellt. Heute weiß man, dass einige Metalllegierungen, poröses Siliziumdioxid und bestimmte Polymere diese ungewöhnliche aperiodische Struktur tatsächlich annehmen können.

          Nun haben Wissenschaftler von den Technischen Universitäten München und Hongkong die Palette an Materialien erweitert, die für Quasikristalle in Frage kommen. Johannes Barth und seinen Kollegen ist es gelungen, das seltene Erdmetall Europium mit einer organischen Verbindung so miteinander zu verknüpfen, dass daraus ein zweidimensionales Netzwerk mit einer quasikristallinen Struktur entstanden ist.

          Typische Merkmale der Quasikristalle herausgebildet

          Zwar hat man aus metallorganischen Verbindungen schon eine Reihe periodischer, recht komplexer Kristallstrukturen herstellen können, aber noch keinen Quasikristall. Diese Lücke haben die Forscher um Barth schließen können, indem sie nacheinander Quaterphenyl-Dicarbonitril und Europiumatome auf eine perfekte Goldoberfläche abschieden und die Materialprobe abwechselnd erhitzten und abkühlten.

          Rastertunnelmikroskopische Aufnahme des quasikristallinen Netzwerks aus mit para-Quaterphenyl–Dicarbonitril vernetzten Europium-Atomen  (gelbe Punkte).
          Rastertunnelmikroskopische Aufnahme des quasikristallinen Netzwerks aus mit para-Quaterphenyl–Dicarbonitril vernetzten Europium-Atomen (gelbe Punkte). : Bild: J. I. Urgel / TUM

          Unter einem hochauflösenden Rastertunnelmikroskop konnten die Forscher das Ergebnis ihrer Bemühungen begutachten. Die Europiumatome und die organische Verbindung hatten ein zweidimensionales Netzwerk gebildet, das aus vier verschiedenen unregelmäßig verteilten dreieckigen und viereckigen Einheiten aufgebaut war.

          Einige dieser Grundelemente hatten sich zu 12-Ecken verbunden, die nicht durch parallele Verschiebung zur Deckung gebracht werden konnten - ein typisches Merkmal für einen Quasikristall, wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Chemistry“ berichten.

          Barth und seine Kollegen wollen nun mittels Computersimulationen genauer verstehen, unter welchen Bedingungen sich zweidimensionale metallorganische Quasikristalle formen, und so neue Varianten entwickeln. Man hofft, auf quasikristalline Materialien zu stoßen, die ungewöhnliche optische und magnetische Eigenschaften aufweisen.

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