Kolloidal kristallisiert

  • 31. May 2016

Neue Methode vereinfacht die Herstellung großer kolloidaler Kristalle.

Egal ob in Metallkunde, Edelsteinkunde oder auch Elektrotechnik, die Anwendungs­gebiete von Kristallen sind breit gefächert. Ein Team um Christos Likos von der Fakultät für Physik der Universität Wien hat nun in Zusammen­arbeit mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) und der Princeton University eine neue Methode entwickelt, die das Wachstum von großen, periodischen Kristallen verbessert.

Abb.: Durch die Verwendung einer Mischung von Kolloiden und polymerartigen Teilchen lässt sich eine langreichweitige Ordnung erzeugen. (Bild: C. Likos, U. Wien)

Abb.: Durch die Verwendung einer Mischung von Kolloiden und polymerartigen Teilchen lässt sich eine langreichweitige Ordnung erzeugen. (Bild: C. Likos, U. Wien)

Kristalle sind Festkörper, deren mikroskopisch kleine Bausteine regelmäßig in einer periodischen Struktur angeordnet sind. In molekularen und atomaren Kristallen ist die Kraft zwischen den Bausteinen von Natur aus vorgegeben. Die einzige Möglichkeit, die Kristall­struktur umzuwandeln, besteht entweder darin, die äußeren Bedingungen (Temperatur, Druck, etc.) zu verändern, oder die Partikel selbst auszu­tauschen.

Im Gegensatz dazu ist es möglich, im Bereich der Physik der weichen Materie, in dem die Bausteine um ein Vielfaches größer und komplexer sind als Atome, Bausteine mit extrem anpassungs­fähigen Eigenschaften zu konzipieren und anzufertigen. Darauf basierend haben Wissenschaftler unter großem Aufwand an der Synthese von Kolloiden gearbeitet, die selbst­organisiert hoch­symmetrische Strukturen mit technologisch relevanten Eigenschaften bilden. Als Beispiel gelten spezielle Kristall­gitter, die interessante optische Eigenschaften aufweisen – die photonischen Kristalle.

Ein Beispiel für einen natürlichen photonischen Kristall ist der Opal, dessen faszinierendes Farben­spiel auf die Art zurückzuführen ist, wie das Licht mit den kleinen Strukturen der regelmäßig angeordneten, kolloidalen Teilchen interagiert. Das farben­prächtige Schillern des Edel­opals ist auf die Präsenz einer Vielzahl kleiner Kristalle, so genannter Kristallite, zurück­zuführen, die sich mit unterschiedlicher Orientierung anordnen. „Zusätzlich ist die Anordnung in den kolloidalen Kristallen oft durch Poly­morphologie gestört: Verschiedenste Strukturen sind durch vergleichbare thermo­dynamische Stabilität charakterisiert, die es erschweren, eine bestimmte Form absichtlich zu erzeugen", erklärt Christos Likos von der Fakultät für Physik der Universität Wien.

Das daraus resultierende Fehlen der weit­reichenden Anordnungen ist für viele Anwendungen von Nachteil. Entsprechend haben sich die Wissenschaftler zur Aufgabe gemacht, Strategien zu entwickeln, die das Wachsen von großen, mono­kristallinen Exemplaren verbessern. Mittels Computersimulationen ist es nun gelungen eine neue Methode zu entwickeln, die es ermöglicht, technologisch relevante offene Kristalle zu bilden, die nicht poly­morph sind. „Das System kristallisiert spontan in einer Mischung von Kristallen. Die Kolloide fügen sich dabei so zusammen, dass die konkurrierenden Strukturen unterschiedliche Hohlraum­verteilungen aufweisen. Wir nutzen das aus, indem wir die Größe von zusätzlich hinzugefügten Polymeren so anpassen, dass diese einzig und allein mit der Leer­raum­symmetrie des gewünschten Kristalls interagieren und sich gegen seine Konkurrenten stabilisieren", so Lise-Meitner-Stipendiat Lorenzo Rovigatti, Mitglied der Gruppe um Christos Likos.

Die Ergebnisse des Forschungs­teams dienen nicht nur dazu, Alternativen zu bereits existierenden Ansätzen aufzuzeigen, sondern auch um in naher Zukunft die experimentelle Umsetzung von weitreichend geordneten offenen kolloidalen Kristallen zu ermöglichen.

U. Wien / DE

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