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Datum: 8. Dezember 2011, Nr. 132

Quasikristall-Forschung an der Uni Stuttgart

Hintergrundinformation zum Nobelpreis Chemie 2011

Die meisten Metalle setzen sich aus kleinen Kristallen zusammen. In deren Aufbau erkennt man Muster aus Atomgruppen, die sich wie bei einer Tapete periodisch wiederholen, und zwar nicht nur in einer Ebene, sondern in allen drei Richtungen des Raumes. Eine geometrische Regel besagt dabei, dass es keine periodischen Anordnungen gibt, die nur aus regelmäßigen Fünfecken bestehen. Prof. Dan Shechtman von der Tel Aviv University entdeckte 1982 in einem Aluminium-Mangan-Kristall regelmäßige Ikosaeder und Dodekaeder (das sind Körper, die von Vielecken als Seitenflächen begrenzt sind), die dieser Lehrmeinung widersprachen und erhält dafür am 10. Dezember 2011 in Stockholm den Nobelpreis in Chemie. Im Raum Tübingen und Stuttgart hatten sich Wissenschaftler schon früh mit solchen Quasikristallen befasst, an der Universität Stuttgart sind derzeit drei Forschergruppen aktiv. Quasikristalle wird man künftig als reibungsarme, haftfreie Beschichtungen, als Thermobarrieren und – im Verbund mit normalen Metallen – als feste Leichtbauwerkstoffe einsetzen können.

Noch vor Shechtmans Entdeckung hatte Prof. Peter Kramer in Tübingen eine Belegung des dreidimensionalen Raumes mit zwei Arten von rhomboedrischen Zellen konstruiert, die Ikosaeder enthielt (ein Ikosaeder ist von 20 gleichseiteigen Dreiecken begrenzt), dafür aber aperiodisch war. Sie diente als erstes Strukturmodell für Shechtmans Beobachtung. Kramers Raumparkettierung verallgemeinerte eine lückenlose Belegung der Ebene mit zwei Kacheln, die ein Jahrzehnt zuvor in Oxford der Kosmologe Roger Penrose als gleichmäßiges Muster mit fünfzähliger Symmetrie vorgeschlagen hatte. In Tübingen und Stuttgart wurden ab 1985 neue aperiodische Parkettierungen entdeckt, wie das so genannte Tübinger Dreiecksmuster, das Mikulla-Roth- und Gähler-Baake-Tiling.

An der Universität Stuttgart wurden Muster-Quasikristalle simuliert, indem man im Computer die Bahnen der Atome unter gegenseitigen Wechselwirkungen berechnete und prüfte, ob die Struktur erhalten blieb oder sich veränderte. Man untersuchte so auch plastische Verformung, Bruch und Strahlenschädigung von Quasikristallen. Diese theoretisch-numerischen Untersuchungen wurden begleitet durch Experimente am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart, wo man reale Quasikristalle synthetisierte und experimentell ihre mechanische Belastung und andere physikalische Eigenschaften studierte.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte in Stuttgart
Während sich heute viele Forschungsgruppen, vor allem in Japan, den technischen Anwendungen der Quasikristalle widmen, gehen die Wissenschaftler an der Uni Stuttgart einen anderen Weg. Sie wollen die Auswirkungen der quasikristallinen Struktur in anderen als atomaren Systemen untersuchen. Die Gruppe von Prof. Hans-Rainer Trebin am Institut für Theoretische und Angewandte Physik hat ein einfaches Kraftgesetz gefunden, das, wenn man Partikel damit wechselwirken lässt, zweidimensionale Quasikristalle entstehen lässt. So kann man mit diesem Kraftgesetz im Computer die Bewegungen von quasikristallin angeordneten Teilchen berechnen, visualisieren und analysieren. Auch die Gruppe von Prof. Clemens Bechinger vom 2. Physikalischen Institut simuliert Quasikristalle, allerdings im Experiment mit kolloidalen Systemen. Diese bestehen aus Tausenden von Styroporkügelchen von Mikrometer-Maßen, die in einer Flüssigkeit schwimmen und einem Lichtfeld von fünf Lasern ausgesetzt sind. Die Teilchen ordnen sich zu quasikristallinen Strukturen an, die man im Lichtmikroskop beobachtet. Beide Gruppen können somit Erscheinungen der Quasikristalle studieren, zum Beispiel Reibungsphänomene, wie es an den Atomen realer Quasikristalle nicht möglich ist. Die Gruppe von Prof. Harald Gießen vom 4. Physikalischen Institut belegt Metallsubstrate mit quasikristallin angeordneten Goldstrukturen und untersucht, wie diese die Lichtausbreitung beeinflussen.

Ansprechpartner:
Prof. Hans-Rainer Trebin, Institut für Theoretische und Angewandte Physik, Tel. 0711/685-65255, e-mail: trebin@itap.uni-stuttgart.de

Prof. Clemens Bechinger, 2. Physikalisches Institut, Tel. 0711/685 65218, e-mail: c.bechinger@physik.uni-stuttgart.de

 
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Dekagonaler Quasikristall, wie er sich von selbst im Rechner bildet, wenn man ein einfaches Kraftgesetz zwischen den Partikeln ansetzt. (Abbildung: Universität Stuttgart/Gruppe Trebin).