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Quasikristalle: Unordnung im Gitter

Foto: AFP/ US Department of Energy´s Ames Laboratory

Chemie-Nobelpreisträger Shechtman Hübsche Muster für Materialien nach Maß

"Eine solche Struktur kann es nicht geben", soll der israelische Chemiker Daniel Shechtman gesagt haben, als er erstmals einen Quasikristall sah. Jetzt hat er den Nobelpreis bekommen, denn die von ihm entdeckten Muster revolutionieren die Materialforschung - und könnten von großem praktischen Nutzen sein.
Von Cinthia Briseño

Sie sind schön, ihr Anblick fasziniert - und weckt Kindheitserinnerungen, als man sich stundenlang in den Farbspielen eines Kaleidoskops verlieren konnte: Die Muster von Quasikristallen üben eine magische Anziehung auf ihren Betrachter aus. Was der sieht, ist Unordnung in der Ordnung. Denn die Atome in Quasikristallen sind so strukturiert, dass sich ihre Anordnung niemals wiederholt. Wer den Blick über diese verrückten Muster schweifen lässt, erkennt in ihnen zwar eine gewisse Symmetrie. Und doch stimmt etwas nicht.

Lange Zeit glaubten Mathematiker, dass es diese Muster eigentlich nicht geben kann. Und auch Chemiker dachten, Kristalle mit einer solchen Gitterstruktur werden in der Natur nicht zu finden sein. 1982 aber sah der Chemiker Daniel Shechtman sie mit eigenen Augen unter einem Elektronenmikroskop: Die Atomstruktur in den Proben aus Aluminium und Mangan, die er untersuchen wollte, war vollkommen anders als die eines gewöhnlichen Kristalls. Für diese Entdeckung ist der in Tel-Aviv gebürtige Wissenschaftler jetzt mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt worden.

Damit geht der Preis in diesem Jahr nach langer Zeit an einen einzelnen Forscher. Zuletzt war das 2007 der Fall, als der Deutsche Gerhard Ertl für seine Studie von chemischen Verfahren auf festen Oberflächen ausgezeichnet wurde. Seither haben sich den Nobelpreis für Chemie mehrere Forscher teilen müssen, zuletzt ging er an zwei Japaner und einen US-Amerikaner.

"Diese Struktur kann es nicht geben"

Shechtman darf sich also alleine über die höchste Auszeichnung der Wissenschaften freuen, die mit 10 Millionen schwedischen Kronen dotiert ist. Dabei glaubte er an jenem Morgen des 8. April 1982 zunächst nicht, was seine Augen dort unter dem Mikroskop sahen: "Eine solche Struktur kann es nicht geben", soll er zu sich selbst gesagt haben.

Für Kristallographen gab es bis zu jenem Tag eine klare Regel: In Mineralen sind die Atome oder Moleküle periodisch angeordnet. Vorstellen kann man sich das so: Schneidet man gedanklich ein Stück aus dem Kristallgitter heraus und verschiebt es parallel, dann kann man es mit einem anderen Stück Gitter anderswo im Kristall zur Deckung bringen.

Genau diese Regel aber brach Shechtmans Kristall - ein Schock für Kristallographen und Chemiker. Dreht man einen gewöhnlichen Kristall um einen bestimmten Winkel, so erhält man immer wieder das gleiche Muster. Von einer zweifachen Symmetrie spricht man, wenn sich das gleiche Muster bei jeder halben Drehung ergibt, von einer dreifachen, wenn das bei jeder Drittel-Drehung der Fall ist. An dieser Stelle kommt die Mathematik ins Spiel, die vereinfacht gesprochen besagt, dass es einen Kristall mit fünfzähliger Drehsymmetrie nicht geben kann. Schon die alten Griechen wussten das: Fünfeckige Fliesen lassen sich nicht zu einem Fußboden zusammenlegen.

Zunächst von Kollegen belächelt, wurden Shechtmans Beobachtungen schließlich doch von der Wissenschaftsgemeinde akzeptiert, als neu entdeckte Klasse von Materialien. Sie wurden fortan Quasikristalle genannt. Seither haben Forscher immer wieder solche Quasikristalle gefunden, inzwischen sind über 100 dieser außergewöhnlichen Strukturen bekannt. In der Natur hat man aber erst 2009 wieder ein Beispiel für einen Quasikristall entdeckt: im russischen Koryak-Gebirge. Bei dem Fund handelt es sich um einige Mikrometer große Kristallkörner aus Aluminium, Kupfer und Eisen. Alle anderen Quasikristalle sind bisher nur künstlich im Labor erzeugt worden.

Quasikristalle eröffnen neue Forschungsgebiete

"Quasikristalle haben nicht nur unser Weltbild von der Anordnung von Materie verändert", sagt Clemens Bechinger im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Vielmehr haben sie uns ein vollständig neues Forschungsgebiet eröffnet." Deshalb ist der Festkörperphysiker der Meinung, dass Shechtmans Entdeckung den Nobelpreis verdient hat. "Ich finde, es hat den Richtigen getroffen", sagt Bechinger, der das 2. Physikalische Institut für Physik an der Universität Stuttgart leitet.

"Die Anordnung der Atome hat einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Materie", erklärt Bechinger. Das wird schnell deutlich, wenn man an das Beispiel von reinem Kohlenstoff denkt. Je nachdem, welche Gitterstruktur im Kristall vorliegt, macht Kohlenstoff aus dem Bleistift schnell die Hände schmutzig - oder aber er ziert als Diamant den Ringfinger.

Auch Quasikristalle haben Eigenschaften, die für Materialforscher von großem Interesse sind. Das historisch erste Beispiel einer Anwendung für einen Quasikristall, erzählt Bechinger, sei die Anti-Haft-Beschichtung einer Bratpfanne, die aus einem quasikristallinen Stoff besteht. Eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit oder eine extrem hohe Korrosionsbeständigkeit, ein kleiner Reibungswiderstand sowie deren katalytische Eigenschaften geben Quasikristallen ein breites Anwendungspotential in der Zukunft.

Materialforscher wie Bechinger arbeiten daran, mit Hilfe von Quasikristallen Materialien für technische Anwendungen maßzuschneidern. So versuchen Forscher beispielsweise, anderen Stoffen wie etwa Blei quasikristalline Eigenschaften zu verpassen. Das erreicht man, indem man über eine quasikristalline Oberfläche eine Monoschicht Blei abscheidet. Diese nimmt dann auch eine quasikristalline Struktur an - und das Blei verändert seine Eigenschaften.

Dass in Quasikristallen ein großes Anwendungspotential steckt, dürfte mit ein Grund dafür gewesen sein, warum das Nobelpreiskomitee sich für die Auszeichnung von Daniel Shechtman entschieden hat. Bechinger findet aber noch einen weiteren Aspekt sehr reizvoll: "Quasikristalle sind nicht nur für die Chemie interessant. Sie faszinieren auch Physiker und Mathematiker gleichermaßen."

Mit Material von dpa
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