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Ein „Eiskristall“ aus Zink

Zink bildet in flüssigem Gallium ähnliche Kristallformen wie gefrierendes Wasser

Zinkkristall
Diese mikroskopisch kleinen Kristallsternchen bestehen nicht aus Wassereis, sondern aus metallischem Zink. © Waipapa Taumata Rau/ University of Auckland

Schneekristalle sind ein Kunstwerk der Natur – ihre symmetrische Schönheit fasziniert Menschen seit Jahrhunderten. Doch nicht nur Wassereis kann diese sechszackigen Sternchen hervorbringen: Hier zu sehen ist ein Eiskristall aus Zink. Dieses rund 100 Mikrometer kleine Gebilde wächst von selbst heran, wenn geschmolzenes Zink in flüssigem Gallium gelöst und dann abgekühlt wird. Ähnlich wie beim Wassereis bildet das Metall dann eine Vielzahl verschiedener Sternformen.

„Wir alle kennen die seltsame geometrische Schönheit einer Schneeflocke. Durch eine Lupe betrachtet ist sie geradezu atemberaubend. …Sie ist eine verwirrende Mischung von Regelmäßigkeit und Zufall, von Ordnung und Unordnung, von Muster und sinnlosem Durcheinander“, beschreibt der Mathematiker Ian Stewart die faszinierende Schönheit der Schneekristalle. Sie verdanken ihre sechszählige Symmetrie dem Kristallgitter des Wassereises – das Atomgitter des Eises beeinflusst, wie sich Wassermoleküle gruppieren und geben so die Form auch des makroskopischen Kristalls vor.

Weil schon kleinste Störungen und Unebenheiten im Kristall die Form beeinflussen, bilden Schneekristalle eine Vielzahl verschiedener Varianten – Sternchen mit unterschiedlich komplexen Ärmchen, Plättchen oder kleinen Säulen. Kein Schneekristall gleicht daher dem andern.

Metalle statt Wassereis

Doch was bei Wassereis geht, funktioniert auch mit bestimmten Metallen, wie nun Forschende um Shuhada Idrus-Saidi von der University of New South Wales herausgefunden haben. Sie wollten wissen, welche Kristallformen entstehen, wenn man verschiedene Metalle in flüssigem Gallium löst und dann auskristallisieren lässt. Das Übergangsmetall Gallium eignet sich dafür gut, weil es schon bei knapp 30 Grad schmilzt und sich andere Metalle schon bei mäßig heißen Temperaturen in ihm lösen.

Für ihr Experiment gaben die Forschenden Kupfer, Nickel, Zink, Platin, Bismut, Silber oder Aluminium in flüssiges Gallium und erhitzen die Mischung, bis sich die Metalle lösten. Dann kühlte sie das Metallbad langsam wieder bis fast auf Raumtemperatur ab, so dass die gelösten Fremdmetalle wieder auskristallisierten. Es zeigte sich: Je nach Metall bildeten sich ganz unterschiedliche Kristallformen – von einfachen Stäben und Säulen über Würfel bis zu Sechsecken und Oktaedern.

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So symmetrisch und vielfältig wie Eiskristalle

Am auffälligsten und schönsten waren dabei die Zink-Kristalle. Denn mit ihrer sechszähligen Symmetrie und den unzähligen Varianten ähneln sie verblüffend den Kristallen des Wassereises. Ähnlich wie das Eis bildet auch das Zink beim Kristallisieren ein hexagonales Atomgitter, wie die Wissenschaftler erklären. In ihrem Experiment konnten sie durch den Zinkanteil im Galliumbad beeinflussen, ob nur sechseckige Plättchen und einfache Sterne entstanden oder komplexe, vielfach verästelte Sternstrukturen.

Diese Zink-Sternchen geben damit nicht nur neue Einblicke in die faszinierende Formbildung und Symmetrie der Natur, sie eröffnet auch neue Möglichkeiten für die gezielte Züchtung von metallischen Nanopartikeln und -formen. (Science, 2022; doi: 10.1126/science.abm2731)

Quelle: University of Auckland

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