Einkristall

  Ein Einkristall ist ein Kristall, dessen Bausteine (Atome, Ionen oder Moleküle) ein einheitliches, homogenes Kristallgitter bilden. Dies unterscheidet Einkristalle von polykristallinen Aggregaten, verzwillingten Kristallen oder amorphen Substanzen.

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Die Kristallstrukturanalyse zur Aufklärung von Molekülstrukturen ist heute eine Standardmethode der Chemie und der Biochemie. Hierfür ist jedoch die Kristallisation der Moleküle Voraussetzung, was insbesondere bei biologischen Molekülen sehr schwierig sein kann.

Idealerweise wird die Untersuchung an einem Einkristall durchgeführt. Manchmal ist dies unmöglich, da nicht genügend große Einkristalle einer Substanz zur Verfügung stehen. Heutzutage ist es zwar möglich, selbst das Beugungsmuster von Kristallpulvern im Rahmen einer Kristallstrukturanalyse auszuwerten, allerdings geht hierbei durch Überlagerung von Beugungsmaxima Information verloren, sodass die Ergebnisse von geringerer Qualität sind. Doch selbst aufwendig gezüchtete Einkristalle besitzen noch Gitterfehler.

Man unterscheidet Einkristalle nach ihrem chemischen Bestandteilen in drei Gruppen:

Chemische Elemente

Silicium-Einkristalle werden in der Halbleiterindustrie zur Herstellung von Wafern, aus denen dann die Mikrochips hergestellt werden, benötigt. Große Silizium-Einkristalle werden durch Animpfen von geschmolzenem Silizium mit einem kleinen Siliziumkristall im Czochralski-Verfahren (Tiegelziehen) hergestellt. Eine andere Möglichkeit stellt das Zonenschmelzverfahren dar (Siehe auch: Wafer)

Chemische Verbindungen

Einkristalle werden zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen unter Anwendung von Röntgenstrahlen, Neutronenstrahlen oder Synchrotronstrahlen benötigt, um unter anderem die genauen Bindungsabstände und die Anordnung der Atome in einem Molekül zu ermitteln. Die benötigten Kristalle brauchen dabei aber selten größer als 1 mm zu sein.

Biologische Makromoleküle

Mithilfe der Einkristall-Röntgenstrukturanalyse werden die dreidimensionalen Strukturen von makrozyklischen Verbindungen, Naturstoffen, Proteinen, DNA und RNA bei hoher Auflösung bestimmt.

Anwendung

In der Technik werden Einkristalle wegen ihren reproduzierbaren Eigenschaften eingesetzt. Da technisch eingesetzte Einkristalle nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler besitzen, erhöht sich beispielsweise die mechanische Belastbarkeit des Materials. So werden z. B. Turbinenschaufeln als Einkristall aus Nickelbasis-Legierungen gefertigt. Dabei haben diese Einkristalle eine einheitliche Ausrichtung der Gitterstruktur, können aber durchaus mehrere Phasen besitzen.