Ein internationales Forscherteam hat erstmals so genannte kolloidale Quasikristalle entdeckt. Im Unterschied zu den bisher bekannten Quasikristallen, die sich nur unter speziellen Laborbedingungen herstellen lassen, handelt es sich um einfach strukturierte Polymere, die durch Selbstorganisation entstehen.
Aufgrund ihrer Struktureigenschaften werden sie voraussichtlich bei der Entwicklung neuartiger Bauelemente in der Photonik zum Einsatz kommen können, berichtet jetzt die Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).
Ungewöhnliche symmetrische Strukturen sichtbar gemacht
Quasikristalle zeichnen sich durch eine sehr ungewöhnliche Anordnung der Atome aus. In normalen Kristallen bilden die Atome geordnete periodische Strukturen – das heißt sie fügen sich zu einer lückenlosen Gesamtstruktur zusammen, in der sich ein einziges symmetrisches Muster regelmäßig wiederholt.
Aus geometrischen Gründen sind dabei nur 1-, 2-, 3-, 4- und 6-zählige Symmetrien möglich. Diese Zahlenangabe besagt, wie oft sich eine Struktur in Winkeln zwischen 0 und 360 Grad so drehen lässt, dass sie mit sich selbst zur Deckung kommt.
Geordnete aperiodische Strukturen
Anders verhält es sich bei Quasikristallen. Hier liegen geordnete aperiodische Strukturen vor, das heißt es gibt mindestens zwei verschiedene symmetrische Muster, die sich nicht regelmäßig wiederholen, aber trotzdem eine lückenlose Gesamtstruktur bilden. Unter dieser Voraussetzung können auch 8-, 10- oder 12-zählige Symmetrien vorkommen.
Diese strukturellen Unterschiede zwischen Kristallen und Quasikristallen lassen sich in Beugungsexperimenten mit elektromagnetischen Wellen sichtbar machen. Dabei entstehen Beugungsmuster, an denen sich ablesen lässt, wie Kristalle und Quasikristalle aufgebaut sind. Die erkennbaren symmetrischen Strukturen werden in der Forschung als Beugungssymmetrien bezeichnet.
Kolloidale Quasikristalle durch Selbstorganisation
Bei den neu entdeckten kolloidalen Quasikristallen handelt es sich um Hydrogele, also um Polymere, die Wasser enthalten, aber selbst nicht wasserlöslich sind. Sie besitzen eine relativ einfache Struktur und kommen den Forschern zufolge dadurch zustande, dass sich mehrere gleichartige „Bausteine“ durch Selbstorganisation zusammenfügen.
Diese Bausteine sind polymere Mizellen: kleine kugelförmige Gebilde mit Durchmessern zwischen fünf und 100 Nanometern, die ohne labortechnischen Aufwand in größerem Maßstab herstellbar sind. Deshalb sind kolloidale Quasikristalle für viele Wissenschaftler und auch für die Industrie leicht zugänglich.
Erstmals 18-zählige Symmetrie beobachtet
Schon seit längerer Zeit untersucht das Team von Professor Stephan Förster an der Universität Bayreuth polymere Mizellen, die sich zu Gitterstrukturen zusammenlagern können – und zwar auf Längenskalen von bis zu 100 Nanometern. Bei gemeinsamen Arbeiten am Institut Laue-Langevin in Grenoble und am DESY in Hamburg entdeckten die Forscher nun kürzlich, dass aus derartigen Prozessen der Selbstorganisation quasikristalline Gitterstrukturen hervorgehen können. In Beugungsexperimenten wurde nicht nur eine 12-zählige Symmetrie, sondern erstmals überhaupt eine 18-zählige Symmetrie beobachtet.
Keine praxisfernen „Glasperlenspiele“
Derartige Experimente sind den Wissenschaftlern zufolge keineswegs praxisferne „Glasperlenspiele“ der Grundlagenforschung. Denn für hochzählige Beugungssymmetrien in kolloidalen Quasikristallen interessiert sich die Photonik, eine Disziplin der Physik, die auf die Entwicklung optischer Technologien für die Übertragung und Speicherung von Informationen abzielt.
Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, dass Strukturen mit hohen Beugungssymmetrien die Eigenschaft haben, Lichtstrahlen nur in bestimmte Richtungen durchzulassen. Sie sind ein besonders gut geeignetes Medium, wenn es darum geht, Lichtstrahlen von einer bestimmten Wellenlänge in vorab definierte Richtungen weiterzuleiten. Infolgedessen sind Strukturen mit hohen Beugungssymmetrien hochinteressant für die Herstellung photonischer Bauelemente.
Baumaterialien für die Photonik?
Eignen sich also die jetzt entdeckten Hydrogele mit ihren hohen Beugungssymmetrien als Baumaterialien für die Photonik? Dafür muss nach Angaben der Forscher noch eine Hürde überwunden werden: Die Photonik benötigt Strukturmerkmale von mehreren hundert Nanometern, während kolloidale Quasikristalle nicht über 100 Nanometer hinausreichen.
Die Wissenschaftler in Bayreuth, Hamburg und Grenoble arbeiten daher derzeit intensiv daran, dass sich polymere Mizellen zu quasikristallinen Großstrukturen zusammenschließen, die in photonischen Bauelementen zum Einsatz kommen können. „Ich bin zuversichtlich, dass diese Bestrebungen schon bald zum Erfolg führen werden“, erklärt Förster.
Quasikristalle – nicht länger eine Laborkuriosität
Kolloidale Quasikristalle sind daher voraussichtlich weit besser für Anwendungen in der Photonik geeignet als die circa 100 quasikristallinen Verbindungen, die bisher bekannt waren. Hierbei handelt es sich fast ausschließlich um Metall-Legierungen, die nur in kleinen Mengen und unter speziellen Laborbedingungen hergestellt werden können. Zudem bewegen sich diese quasikristallinen Strukturen auf einer Größenskala zwischen 0,1 und einem Nanometer und sind daher für den praktischen Einsatz in der Photonik erst recht zu winzig.
Um quasikristalline Strukturen für die Photonik herzustellen, bedurfte es daher bisher sehr aufwändiger elektronen-lithographischer Verfahren. Dass Quasikristalle überhaupt existieren, konnte 1984 erstmals ein Forschungsteam um den US-amerikanischen Physiker Dan Shechtman nachweisen. Danach galten Quasikristalle lange Zeit als eine Laborkuriosität, bis die Photonik auf deren ungewöhnliche Struktureigenschaften aufmerksam wurde.
(Universität Bayreuth, 21.01.2011 – DLO)
