24.11.2021

Anhydrit-Kristalle in der Naica-Mine, Mexiko

Anhydrit-Kristalle in der Naica-Mine, Mexiko

Quelle: Alexander van Driessche

BAM-Forscher*innen gewinnen neue Erkenntnisse zu Kristallisationsprozessen, die für die Materialforschung und -entwicklung von großer Bedeutung sind

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*innen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin haben neue Erkenntnisse zur Kristallstruktur vorgelegt, die im renommierten 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*innen 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*innen 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. Der Artikel dazu erscheint heute in der renommierten Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), dem offiziellen Organ der Nationalen Akademie der Wissenschaften der USA. Mehr dazu hier.

Beteiligt an den Untersuchungen waren neben dem BAM-Team aus der Abteilung Materialchemie auch Wissenschaftler*innen des Institut des Sciences de la Terre in Grenoble, der Eidgenössisch-Technischen Hochschule in Zürich, des Deutschen GeoForschungsZentrums sowie des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam.