Erster Blick auf heranwachsende Metallkristalle

Verborgenes sichtbar gemacht: Forschende haben zum ersten Mal mitverfolgt, wie Platinkristalle in einem flüssigen Metall heranwachsen. Eine spezielle Röntgentomografie machte dabei das Geschehen im normalerweise undurchdringlichen Metallbad aus Gallium oder Gallium-Indium sichtbar. Es zeigte, wie das Platin nach Metallbad und Temperatur Stäbchen oder Polyeder verschiedener Größe formte. Diese Einblicke könnten dabei helfen, neuartige Materialien, Katalysatoren und Elektroden zu erzeugen, wie das Team in „Nature Communications“ berichtet.

Flüssigmetalle wie Gallium, Quecksilber oder Natriumkalium-Legierungen sind echte Exoten. Denn sie sind weder typische Flüssigkeiten noch Feststoffe – aber bei Körpertemperatur flüssig. Dabei behalten diese flüssigen Metalle viele Merkmale ihres festen Zustands bei, darunter ihre hohe Dichte, eine sehr hohe Oberflächenspannung und ihren Glanz. Spannend und begehrt sind diese Exoten aber vor allem deshalb, weil sich andere Metalle gut in ihnen lösen.

Extrem dicht und für Blicke undurchdringlich

„Flüssige Metalle bieten vielversprechende Möglichkeiten als Lösungsmittel für metallische Elemente und auch für die Synthese einer breiten Palette von Metallkristallen“, erklären Moonika Widjajana von der University of Sydney und ihre Kollegen. Denn wenn ein solches Metallbad abkühlt oder die Konzentration der gelösten Metalle erhöht wird, kristallisieren diese aus. Dadurch lassen sich flüssige Metalle theoretisch nutzen, um gezielt bestimmte Metallstrukturen zu züchten.

Das Problem jedoch: „Wie die Kristalle im Inneren des flüssigen Metalls heranwachsen, lässt sich nur schwer beobachten“, erklären die Forschenden. Denn die hohe atomare Dichte des Metalls blockiert die meisten elektromagnetischen Wellen – auch das Licht. Gleichzeitig macht die extrem hohe Oberflächenspannung des Flüssigmetalls es schwer, die wachsenden Kristalle vom Metallbad zu trennen. „Dadurch ist auch ungeklärt, wie das Kristallwachstum und die Form der Kristalle durch die Eigenschaften des Metallbads geändert werden, so das Team.

Platinkristalle im Galliumbad

Das hat sich nun geändert: Widjajana und ihr Team haben nun erstmals sichtbar gemacht, wie Kristalle in einem flüssigen Metall heranwachsen – und wie Temperatur, Flüssigmetall-Art und Tempo der Abkühlung die Kristallformen beeinflussen. Für ihre Studie wählten sie Gallium und eine Gallium-Indium-Legierung als Flüssigmetalle. Diese erhitzten sie auf 500 Grad, um darin zwei Prozent Platin zu lösen. Anschließend kühlten sie diese Metalllösung wieder ab und brachten so das Platin zur Kristallisation.

Um die Platinkristalle sichtbar zu machen, nutzten die Forschenden die intensive Röntgenstrahlung der Mikro-Tomografie. Sie platzierten jeweils ein Tröpfchen der abkühlenden Metalllösung im Röntgenstrahl und erstellten Röntgenaufnahmen der verschiedenen Zustände. Die Röntgenquerschnitte wurden anschließend zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt.

Stäbchen und Polyeder aus Metall

Die Aufnahmen machen erstmals sichtbar, wie sich Metallkristalle in einem Flüssigmetall bilden und entwickeln. „Es war faszinierend zu beobachten, wie metallische Partikel heranwuchsen und je nach Temperatur und Lösungsmittel verschiedenen Formen und Ausrichtungen entwickelten“, berichtet Widjajana. „Mithilfe der Röntgen-Computertomographie können wir diesen Prozess nun endlich mitverfolgen – in einem undurchsichtigen Material, das normalerweise für Licht und Elektronen undurchdringlich ist.“

Die Aufnahmen enthüllten, dass die Platinkristalle beim langsamen Abkühlen deutlich größer werden als beim schnellen. Im Galliumbad entstanden dabei bis zu 2,8 Millimeter große Platinnadeln. Für die Kristallform und ihr Wachstumstempo ist dagegen die Art des Flüssigmetalls entscheidend: „Die im flüssigen Gallium gebildeten Platinkristalle waren vorwiegend stäbchenförmig“, berichtet das Team. „Die in der flüssigen Gallium-Indium-Legierung gezüchteten Platinkristalle waren dagegen meist polyedrisch.“ Diese Kristalle wuchsen zudem deutlich langsamer als im Gallium.

Nützlich für neuartige Materialien und „grünen“ Wasserstoff

Nach Ansicht der Forschenden eröffnet diese Methodik nun ganz neue Möglichkeiten, Metallkristalle zu züchten und gezielt in die gewünschte Form zu bringen. „Mit Röntgen-Computertomographie können wir jetzt wirklich sehen, womit wir arbeiten und Kristalle, die in flüssigem Metall wachsen, gezielter designen“, sagt Kalantah-Zadeh. Mögliche Anwendungen sieht das Team in neuartigen Materialien, aber auch in optimierten Katalysatoren und Elektroden – beispielsweise für die Gewinnung „grünen“ Wasserstoffs mittels Elektrolyse.

„Um herauszufinden, wie flüssige Metalle zur Gestaltung der Zukunft intelligenter Materialien genutzt werden können und welche eine wichtige Rolle bei Energiequellen spielen, müssen wir ihre metallischen und chemischen Eigenschaften innen und außen verstehen“, erklärt Kalantah-Zadeh. Die neue Methode mache solche Forschungen nun möglich. (Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-66249-y)

Quelle: University of Sydney