Macht der Ordnung

Kristalle sind allgegenwärtig. Fast die gesamte Erdmaterie besteht aus kristallisiertem Material. Die Wiener KristallographInnen tauchen immer tiefer in die Mikrowelt der kristallinen Ordnung ein und loten ihre Wandlungsfähigkeit aus.

1. Feb. 2016

Was lässt Autolacke glitzern, das Papier extraweiß erscheinen und das Ceranfeld bei hohen Temperaturen nicht zerplatzen? Es sind Kristalle. Genauer: ihre regelmäßige Kristallstruktur mit ihrer atomaren Ordnung. „Der kristalline Zustand ist mit einer Menge spezifischer, oft gut nutzbarer Eigenschaften verbunden. Damit hat er auch für den Menschen an Bedeutung gewonnen“, sagt Institutsleiter Ronald Miletich. Ein Arbeitsschwerpunkt an seinem Institut ist die Analyse der Stabilität von Kristallen, ihrer Umwandlungsprozesse und deren Abläufe.

Wir beschäftigen uns mit den Struktur-Eigenschafts-beziehungen in Kristallen: Können wir vorhersagen, wann welche der kristallinen Strukturen reagiert, wie und in welche Richtung sie sich verändert?”

Ronald Miletich, Professor für Mineralogie und Kristallographie

Unter extremen Einflüssen können Kristalle ihre strukturelle Atomanordnung verändern. Auch unter „normalen“ Bedingungen erweisen sich Kristalle als instabile, bisweilen gar sensible Gebilde: Kristalle begeben sich mitunter schon bei geringen Veränderungen der Umgebungstemperatur oder des Drucks von einer in eine andere Ordnung. Die ForscherInnen sprechen von „Phasentransformationen“ - mit Folgen für das physikalische Verhalten.

In einem Projekt untersuchen die Wiener KristallographInnen z.B. das Verhalten von potenziell toxischen Schwermetallhydraten, die in Bergbaugebieten über die Minenwässer ans Tageslicht kommen können. Das soll zu einer besseren Abschätzung ihres Gefahrenpotenzials für Mensch und Natur führen. Eine andere Gruppe erkundet in einem FWF-Projekt Umwandlungsmechanismen von Sulfathydraten unter außergewöhnlichen Umgebungsbedingungen, wie sie auf dem Mars herrschen. Denn die spektroskopischen Daten von bestimmten Sulfathydraten unseres Nachbarplaneten geben den Astrophysikern noch einige Rätsel auf.

Kristalline Pfade

Vor rund 100 Jahren entdeckte Max von Laue die sogenannte Röntgenbeugung an Kristallen. Die Entdeckung brachte ihm den Physik-Nobelpreis – und die Kristallographie auf den Weg in die Moderne. Mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse kann man seither auf die Anordnung der Atome in Kristallen sowie deren Änderung schließen.

„Heute interessieren uns die sogenannten Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Kristallen. Wir sind mit unseren experimentellen Werkzeugen und mit der Computersimulation soweit, dass wir abschätzen können, wann sich kristalline Strukturen wie verändern“, sagt Ronald Miletich: „Wir kennen dann die Struktur vom Ausgangspunkt und vom Endpunkt, doch den Weg dorthin verstehen wir nicht immer im Detail.“ So konzentriert sich die Gruppe um Miletich zunehmend auf strukturelle Zwischenzustände und ihre Rolle bei Phasentransformationen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf Karbonaten wie etwa dem Calciumcarbonat CaCO₃ – jenem Mineral, das z.B. die Kalkalpen aufbaut.

Ein Höhepunkt der Wiener KristallographInnen war 2015 die Entdeckung des vermeintlichen Stabilitätsbereiches einer neuen Hochdruckform von CaCO₃: Diese nimmt im Temperaturbereich von unter 40 Grad Celsius bei geologisch relevanten Druckbelastungen einen bedeutenden Zwischenschritt bei der CaCO₃-Umwandlung ein. Die ForscherInnen entdeckten die Bedeutung dieser Phase bei ihren Experimenten im Labor und brachten damit Licht ins Ordnungsspiel des Calcits. Bei höheren Temperaturen spielt die Phase unter hydrostatischen Drücken zumindest keine Rolle, die Strukturveränderungen des Calcits und ihre Abläufe sind damit nach wie vor ein Mysterium.

Strahlenschäden & Einschlüsse

Wie wirkt sich die Bestrahlung von Mineralen auf ihre strukturelle Zusammensetzung aus? Welche Mechanismen stecken hinter den Farbveränderungen von radioaktiv bestrahlten Diamanten, die etwa die Edelsteinindustrie schon lange für sich zu nutzen weiß?

Diese Fragen beschäftigt die Arbeitsgruppe des Mineralogen Lutz Nasdala. Um Antworten zu finden, bearbeiten die ForscherInnen natürliche Minerale und ihre synthetischen Entsprechungen mit Ionenstrahlen und führen damit auch strukturelle Änderungen gezielt herbei. Ihr zentrales Instrument ist dabei ein an der Fakultät verfügbarer „Focused Ion Beam“, kurz FIB. Er kommt auch zur Aufbereitung von Proben zum Einsatz: Der Ionenstrahl mit sehr hohen Energien kann quasi als Skalpell wirken. Mit ihm lassen sich Minerale ohne zu große Beeinflussung des Materials „schneiden“. Die resultierenden Querschnitte („Folien“) nutzen die Forscher für ihre weiteren Bestrahlungsexperimente. Dieser Forschungsbereich wird vom FWF über ein Projekt gefördert und in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am deutschen Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf umgesetzt.

Wir nutzen die Spektroskopie, um Minerale zu analysieren. Mit dieser Methode erhalten wir vielfältige Informationen über Minerale im Mikrometerbereich.”

Lutz Nasdala, Professor für Mineralogie und Spektroskopie

Auch die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie werden untersucht: Die Analyse eines in Brasilien gefunden Diamanten aus einer Erdtiefe von 600 Kilometern mittels spektroskopischer Verfahren sorgte 2014 für einen aufsehenerregenden Befund. Unter Beteiligung von Lutz Nasdala konnte ein internationales ForscherInnenteam beweisen, dass es im Erdinnern Wasser gibt. Damit konnte eine über 30 Jahre alte Hypothese erstmals belegt werden. Ein nur ein Dreißigstel Millimeter großer Einschluss in dem Diamanten enthielt das seltene Hochdruckmineral Ringwoodit. Mit Hilfe des Wiener Ramanspektrometers gelang der erste direkte Nachweis für das terrestrische Vorkommen dieser Mineralphase. Den Nachweis des Wassers im Kristallgitter des Ringwoodit lieferten KollegInnen aus Bayern. Die Ergebnisse erschienen im Fachblatt „Nature“.

Edelsteine können auch im Dienst der Forschung stehen: Zirkone sind Referenzmaterial für die Geochronologie, also die Altersbestimmung von Gesteinen. Denn: „Zirkon ist sehr widerstandsfähig. Gleichzeitig ist es in kleinen Mengen in fast allen Gesteinen verbreitet“, sagt Lutz Nasdala. Über seine speziellen Eigenschaften kann Zirkon zur Altersbestimmung über das Uran-Blei-Isotopenverhältnis herangezogen werden. Derzeit analysieren die ForscherInnen zwei sehr hochwertige Zirkone in Zusammenarbeit mit weltweit führenden Laboren, um künftig neues Referenzmaterial für die Altersbestimmung bereitstellen zu können.

Moderne Mineralogie

Für ihre Analysen verwenden die MineralogInnen und KristallographInnen heutzutage jede Menge modernste Gerätschaften: Ionenstrahlsonden, hochsensible Detektoren und starke Röntgenstrahlenquellen sind nur drei Beispiele dafür. Die Mineralogie und Kristallographie nutzt nicht nur moderne Technologien – sie ist selbst Teil des technologischen Fortschritts.