TUM Quasikristall ist trotz fehlender Translationssymmetrie Kristall

Rastertunnelmikroskopische Aufnahme eines quasikristallinen Netzwerks aus Europium-Atomen, die mit para-Quaterphenyl–Dicarbonitril vernetzt sind.
Rastertunnelmikroskopische Aufnahme eines quasikristallinen Netzwerks aus Europium-Atomen, die mit para-Quaterphenyl–Dicarbonitril vernetzt sind.

Anders als klassische Kristalle bestehen Quasikristalle nicht aus periodischen Einheiten. Die Technische Universität München stellt im Rahmen einer internationalen Kooperation eine Methode vor, mit der zweidimensionale Quasikristalle gezüchtet und vielversprechende Materialien entwickelt werden.

Der Physiker Daniel Shechtman erhielt 2011 den Nobelpreis für Chemie, für die Entdeckung der Quasikristalle: Im Jahr 1982 wertet Shechtman Ergebnisse seines letzten Experimentes aus und war so überrascht, dass er lediglich drei Fragezeichen im Laborjournal notierte. Der Physiker identifizierte ein kristallines Muster, das zu dieser Zeit als unmöglich galt. Nach derzeitiger kanonischer Lehrmeinung haben Einkristalle immer eine sog. Translationssymmetrie. Sie bestehen aus einer Grundeinheit, der sog. Elementarzelle, die sich in allen Raumrichtungen genau gleich wiederholt. Die Einkristallstruktur aus Shechtmans Experiment wies zwar auf eine globale Symmetrie hin, jedoch wurde die Translationssymmetrie der Kristallstruktur immer wieder unterbrochen – d. h.einzelne Baueinheiten des Kristalls ließen sich nicht durch einfache Verschiebung aufeinander abbilden. Daniel Shechtman entdeckte den bis dahin ersten Quasikristall. Trotz massiver Kritik namhafter Kollegen hielt Shechtman an seinem Konzept fest und revolutionierte letztendlich das wissenschaftliche Verständnis von Kristallen und Festkörpern. Unter welchen Bedingungen und auf Grund welcher Mechanismen Quasikristalle entstehen, bleibt jedoch bis heute oft ein Rätsel.

Neuer Baukasten für Quasikristalle

Wissenschaftler um Wilhelm Auwärter und Johannes Barth (Professoren am Lehrstuhl für Oberflächenphysik der TU München) haben in Zusammenarbeit mit der Hong Kong University of Science and Technology (Prof. Nian Lin et al.) und dem spanischen Forschungsinstitut IMDEA Nanoscience eine neue Grundlage zur Bildung zweidimensionaler Quasikristalle entwickelt. Das Verfahren trägt auch zum grundsätzlichen Verständnis der Quasikristalle bei.

Den Forschern war es gelungen Europium (Element aus der Gruppe der Lanthanoide) mit organischen Verbindungen zu verknüpfen, um auf diese Weise einen zweidimensionalen Quasikristall zu züchten (siehe Bild). Das Verfahren ist so erfolgreich, dass potentiell auch dreidimensionale Quasikristalle gebildet werden können. Bisher synthetisierten Wissenschaftler aus metallorganischen Netzwerken periodisch-komplexe Strukturen, jedoch nie Quasikristalle.

„Wir besitzen nun ein neues Set an Bausteinen, aus denen wir viele verschiedene neue quasikristalline Strukturen bauen können“, erklärt ein TUM-Physiker. „Diese Vielfalt eröffnet uns neue Möglichkeiten zu untersuchen, wie Quasikristalle entstehen.“

Die Netzwerkgeometrie der Quasikristalle wurde mittels Rastertunnelmikroskopie aufgeklärt (siehe Bild). Vier verschiedene Grundelemente bilden die Geometrie der zweidimensionalen Struktur. Drei- und Vierecke sind miteinander verbunden und unregelmäßig auf dem Gold-Substrat verteilt. Bestimmte Grundelemente lagern sich zu regulären 12-Ecken zusammen; diese besitzen jedoch keine Translationssymmetrie – vielmehr entsteht ein komplexes Muster mit dodekagonaler Symmetrie.

Interessante optische und magnetische Eigenschaften öffnen neue Türen

In künftigen Arbeiten untersuchen Forscher die Wechselwirkungen zwischen Metallzentren und organischer Verbindung. Mittels Computersimulationen und experimentellen Arbeiten werden Metall und organische Verbindung variiert, um zu verstehen, unter welchen Bedingungen sich zweidimensionale Quasikristalle bilden. Materialien mit Quasikristallstruktur sind vielversprechend. „Wir haben uns nun eine neue Spielwiese erschlossen, auf der wir nicht nur Quasikristallinität erforschen, sondern auch neue Funktionalitäten erschaffen können, vor allem in den Bereichen Optik und Magnetismus“, sagt Dr. David Écija vom IMDEA Nanoscience.