Neue Erkenntnisse zu Kristallisationsprozessen

Für die Materialforschung und -entwicklung von großer Bedeutung

30.11.2021 - Deutschland

Je besser die Ergebnisse des Kristallisationsprozesses von Materialien gesteuert und vorhergesagt werden können, desto größer sind die Chancen, Kristalle herzustellen, die spezifische Merkmale aufweisen und es erlauben, Materialeigenschaften zu optimieren. Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin haben neue Erkenntnisse zur Kristallstruktur vorgelegt, die im Fachblatt PNAS der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Vereinigten Staaten veröffentlicht wurden.

Gemeinhin gelten Kristalle als Inbegriff perfekter Ordnung – eine Vorstellung, die dazu geführt hat, ihnen sogar magische Kräfte zuzuschreiben. Ihre geordnete Struktur legt nahe, dass sich auch ihr Wachstum auf eine sehr regelmäßige und geordnete Weise vollzieht. In den letzten Jahren sind jedoch Studien erschienen, die diese „klassische“ Sichtweise in Frage stellen, und es gilt inzwischen als wahrscheinlich, dass das Wachstum einiger kristalliner Materialien auch auf anderen Wegen erfolgen kann.

Um diese Frage zu erhellen, hat ein Team aus BAM-Forscher Anhydrit-Kristalle aus Mexiko und deren Wachstumsgeschichte intensiv analysiert. Sie nutzten für ihre Untersuchungen Kristalle aus der berühmten Naica-Mine im Norden Mexikos. Natürliche Kavernen des Erzbergwerks enthalten Kristalle, die über viele Jahrtausende gewachsen und daher für Kristallographen besonders aufschlussreich sind.

Bei ihren Untersuchungen haben die Wissenschaftler Defekte der Kristallproben im Nano- bis Millimeterbereich näher betrachtet und die innere Struktur des Minerals genau kartiert. Diese Analysen zeigten, dass sich eine Fehlausrichtung im Nanobereich über Längenskalen ausbreitet, was schließlich zur Bildung von Hohlräumen im Inneren des Kristalls führt, die sogar einen Millimeter und mehr messen können. Sie ergaben auch, dass diese Fehlstellendefekte von einem sogenannten „Keim der Unvollkommenheit“ herrühren, die zu einem makroskopischen Einzelkristall führen, dessen Fragmente im Innern nicht zusammenpassen – auch wenn das Mineral äußerlich betrachtet perfekt erscheint. Das Team gelangte so der Einsicht, dass Fehlausrichtungen im Nanobereich sich während des Wachstumsprozesses um das Millionenfache verstärken.

Diese neue Erkenntnis ergänzt das Konzept der nichtklassischen Keimbildung und kristallinen Wachstumsprozesse entscheidend. Sie ist von großer Relevanz für die Entwicklung und Herstellung neuer und verbesserter Materialien.