Was geschieht an der Oberfläche eines Kristalls ?

[giantcrystal]

Hallo aus Mittelfranken

Am Biertisch kam neulich die Frage auf, wie ein Kristall eigentlich an der Oberfläche aussieht. Was sich trivial anhört, führte dann zu einer ziemlich tiefsinnigen Diskussion, die indes in ziemlicher Ratlosigkeit endete...lag vielleicht auch am Bier 

Aber vielleicht weiß ja jemand Rat hier ? Etwas präziser formuliert lautet die Frage so  :

Ein Calcit- oder Quarzkristall etc. besteht aus einem definierten Kristallgitter, das sich nach allen Richtungen bis zur Oberfläche erstreckt. Aber wie endet das Kristallgitter dort - lauter molekulare Ärmchen, die sich nach allen Richtungen ausstrecken ? Oder sind diese an den Enden  mit Sauerstoffatomen (oder auch Stickstoffatomen) abgesättigt oder wie oder was ...?

Um Meinungen wird gebeten.

Glück Auf

Thomas

[smoeller]

Hallo,

Die Oberflächenchemie ist ein recht neuer Zweig. Was an der Oberfläche eines Kristalls passiert, konnte erst in jüngster Zeit ansatzweise geklärt werden.

An der Oberfläche eines Kristalls kann die Stöchiometrie ganz anders aussehen als im Bulk-Kristall (Gesamtkristall).

In der Regel wird natürlich eine Absättigung angestrebt. Aber nicht immer ist diese auch gegeben.

Freie Sauerstoff-Radikale können u.a. mit Wasserstoff abgesättigt werden.

Die genauen Prozesse sind immer noch Gegenstand der Forschung und die ist durchaus wichtig (Stichwort Katalysator, Leiter/Halbleiter etc.).

Glück Auf!
Smoeller

[jürgen lange]

hallo smoeller, kannst du mal bitte namen von arbeitsgruppen, schlagworte fürs eine recherche hier abgeben. ich finde das thema auch sehr spannend. die tage sah ich eine "elektronen?"-abbildung eines anthracen-moleküles, welches man in rüttlikon bei der ibm gemacht hat. der messkopf schwebte im abstand von etwas im nanometer bereich über ca. 4 h über dem objekt - mehr weiß ich nicht mehr aus dem artikel.

ich glaube, dass die valenzen wohl immer abgesättigt sein werden. aus dem quarz z.b. wird dann vermutlich eine OH-Gruppe herausstehen, an der evtl. wasser noch mal angelagert sein wird. bei ionischen verbindungen rechne ich eher mit wasser, welches über den sauerstoff kationennah zum positiv polarisierten metall steht. das anion wird wohl eher den positiv polarisierten teil des wassers sehen.

oder?

bitte kläre uns auf.

herzliches  glück auf jürgen lange

[smoeller]

Hallo,

An der Uni Kiel wird im Moment Oberflächenchemie gemacht.

Hier ein Link: http://www.ac.uni-kiel.de/tuczek/forschungsgebiete/oberflaechenchemie

Ist halt alles eher im chemischen/technischen Bereich.

Was wohl tatsächlich einen Einfluss in der Geologie hat, ist die Substitution von Sauerstoff durch Hydroxylgruppen in Silikaten. Auf diese Weise dürfte mehr Wasser in ansonsten wasserfreien Mineralien (Olivin, Pyroxen, Granat) im Erdmantel stecken als in den gesamten Ozeanen. Oberflächlicher Austausch dürfte den Schmelzpunkt stark herabsetzen und damit das Aufschmelzen des Mantels beschleunigen. Bei Bewegungen des heißen Gesteins dienen solche Baufehler als Schmiermittel.

An der Oberfläche dürfte eben nicht immer alles abgesättigt sein. Teilweise spielt sicher auch Adsorption von Molekülen eine Rolle, teilweise OH-Gruppen in Silikaten.

@Jurgen Lange: Was du meintest, nennt sich AFM (Atomic Force Microscopy), wenn ich mich nicht irre. Eine andere Methode ist  die Raster-Tunnel-Mikroskopie.

Es geht dabei im Prinzipdarum, dass eine sehr feine Nadel (die ideale Spitze besteht aus einem Cu-Atom), die unter Strom steht. Gemessen wird entweder die Kraft (Aziehung) zwischen Nadel und Probe oder die Veränderung des Stroms beim Rastern. Damit lassen sich einzelne Atome darstellen.

Siehe auch hier:
http://www.ieap.uni-kiel.de/surface/ag-berndt/


Glück Auf!
Smoeller

[jürgen lange]

Hallo Smoeller, danke für die Info, ein phantastischer Einstieg in das Thema.

Siehe:

Contact to single atoms and molecules with the tip of a scanning tunnelling microscope
J. Kröger, N. Néel and L. Limot J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008)


Bilder 7 und 12 zeigen Atomlagen.

[Krizu]

Hallo,

reale Oberflächen an der Luft sind schwierig.

Für Rutil:
http://www.princeton.edu/~aselloni/PAPERS/PhysRevLett_97_2006.pdf

Da wird etwas massiv gerechnet 

Da die Bindungen der Atome an der Oberfläche quási in den Raum ragen, werden sie in der Regel nicht über O mit zwei Bindungen weiter verknüpft, sondern mit OH-Gruppen abgesättigt. Die haben nur eine Bindung und stellen damit sozusagen einen Abschluss dar. Diese Schicht ist aber nicht fix, sondern kann über Licht, pH-Wert (Stichwort: Zetapotential) oder sonstige Sachen beeinflusst werden.

Als Nächstes kommen einige Lagen Wasser und CO2. Als polare Moleküle lagern die sich gut an. Jetzt noch einige einige langkettige Kohlenwaaserstoffe und fertig ist die Oberfläche. Die Schichten im AFM werden meistens frisch gebrochen oder gesputtert, also mit Ionen beschossen, um den Dreck zu entfernen.

Techniken zu dem Thema:
http://de.wikipedia.org/wiki/Oberfl%C3%A4chenchemie

http://de.wikipedia.org/wiki/Oberfl%C3%A4chenphysik

MfG

Frank

[uwe]

Das ist aber mal ein interessantes Thema !! Ein Glück, daß Thomas hin und wieder Bier trinkt.

Ich frage mal als Laie:  Haben die Anlauffarben von Sulfiden damit etwas zu tun ?

Wie ist das - wenn man ein Kristall im absoluten Vakuum brechen würde und es anschließend im gleichen Vakuum wieder unter Druck und absolut paßgenau wieder zusammenfügen würde (geht wohl bloß theoretisch) -  wäre dann der Kristall wieder geheilt ?

Uwe

[Krizu]

Hallo,

um Farben zu haben, muss die Schichtdicke etwas mehr sein, als die angesprochenen Enden und dünnen Schichten. Das sind Schichten in denen der Schwefel durch Sauerstoff ersetzt wurde, also eine dünne Schicht z.B. Fe-Oxid auf Pyrit.

Zum Zusammensetzen: Meiner Meinung nach ja :-)

MfG

Frank

[berthold]

Hallo Uwe,

für Anlauffarben -da stimme ich Frank zu- sind die Schichten (um den Faktor 1:100 bis 1:1000) zu dünn.

An ein Zusammensetzen "heilen" glaube ich nicht. Die Oberfläche kann zwar nicht aus der Luft "abgesättigt" werden, ich vermute aber -bei realen Kristallen- aus der Tiefe des Kristalls. Das wird wohl auch temperaturbedingt und zeitabhängig sein. Zunächst - und das wohl sehr schnell- wird eine oberflächliche Unstrukturierung die Ladungs-Hotspots ausgleichen. Dabei könnte ich mir auch vorstellen dass Bruchstücke abgestoßen werden (soweit die Bruchfläche nicht auch eine gute Spaltfläche ist vermute ich  große Bruchstücke). Auf Dauer werden  Mechanismen wie Fehlstellendiffusion die Oberfläche so weit neutralisieren dass  eine "Gitterwiedervereinigung" (zweier dann ja veränderter -neutraler Oberflächen) meiner Ansicht nach eher nicht zu erwarten ist.  Möglicherweise wird aber Adhäsion auftreten und die Teile verbinden.

Gruß
Berthold

[uwe]

Noch mal 'ne Laienfrage:

Ein Kristall ist in einer Druse gewachsen und an der Oberfläche haben sich die freien Ladungen ausgeglichen und es haben sich, wie Krizu weiter oben bescheibt Fremdionen angelagert. Wenn nun erneut hydrothermale Lösung unter den gleichen Bedingungen wie anfangs in die Druse strömt sollte der Kristall weiter wachsen - oder entsteht eine erkennbare zweite Generation. Die Alaunkistalle im Experimentierkasten meiner Enkelin wachsen nach erneuten Aufgießen der Lösung weiter, obwohl ja auch hier die Ladungen an der Oberfläche durch fremde Ionen ausgeglichen sein sollten.

Sind hier die Bindungskräfte der Orginalmoleküle so stark, daß die Oberfläche wieder "gereinigt" wird ? 

Lagern sich immer "nur" OH-Gruppen an oder können die freien Ladungen auch mit andere Ionen ausgeglichen werden ?

Uwe

[berthold]

Hallo Uwe,

Sind hier die Bindungskräfte der Orginalmoleküle so stark, daß die Oberfläche wieder "gereinigt" wird ?

Es kommt immer darauf an wie sich die Lösung und damit die Oberfläche verändert hat und in welchem Zeitfenster was passiert. Wir können beides sehen: Weiterwachsen des gleichen Kristalls und Überwachsen mit jüngerer Generation.

Lagern sich immer "nur" OH-Gruppen an oder können die freien Ladungen auch mit andere Ionen ausgeglichen werden ?

Ich denke dass alles "verbaut" wird was vorhanden ist und von der Größe und Ladung her passt.

Gruß
Berthold

[Krizu]

boah,

harte Frage:
Beim Alaun gibt es fast nie den Fall, dass der Kristall sauber d.h. ohne Phantom weiter wächst.
Be iden anderen Kristallen ist es ähnlich, meist einsteht irgendwie ein Phantom.

Aber:
Es gilt eine Art Nernstscher Verteilungssatz: Wenn wenig Dreck in der Lösung ist, löst sich der Dreck. ODer mit anderen Worten: In einer gesättigten NaCL-Lösung kann Zucker noch gelöst werden. Also wenn Zucker den Kochsalz Kristall überwachsen hat. kann sich erst Zucker lösen. und der NaCl-Kristall wächst an den freien NaCl-Flächen weiter, da da ein Keim ist.

@Berthold:
korrekt, am Ende kommt das Eutektikum und der Rotz aus der Lösung. Aber einige Regeln gibt es immer noch: An Oxiden zuerst die polaren Sachen...

Frank

[jürgen lange]

Toll die Diskussion,

von wegen der "euphorischen" Bezeichnung Phantom. Ich vermute, auch an den Phasengrenzen eines Polykristalles (z. b. Silizium einer Solarzelle) wird es Änderungen der Zusammensetzung geben.

Die Bildung eines Kristalles stelle ich mir immer wieder auch als Gleichgewichtsreaktion i. s.   Auskristallisieren (Gleichung läuft nach rechts) Lösen (Gleichung läuft nach links) von


a(gelöst) + b(gelöst) <---> ab(fest) *

bei a und b stehen die Konzentrationen (genauer Aktivitäten), wobei hohe Konzentrationen in Lösung die Bildung eines Kristalles beschleunigen. Beim Abkühlen geht es bevorzugt nach rechts. Wenn die Alaunlösung schnell abkühlt, werden die Kristalle schnell aufgebaut, wobei Lösungsmittel und die übrigen Komponenten mit eingebaut wird und auch energetisch weniger stabile Formen sich bilden (z.b. Kantenwachstum statt Flächenwachstum). Die Kristalle sind dann auch weniger schön, als wenn es schön langsam vorangeht. Oder man mag Phantome, (siehe Einleitung), dann ist die Bewertung des lieben Betrachters umgekehrt.

jürgen lange







* sorry für den falschen pfeil, habe keinen anderen .......

[Krizu]

Hallo,

klares jaein zur Formel.
Beim Alaun fast du ein komplexes System aus Wasser mit Alaun, der Oberfläche und dem Kristall.

In der Realität bilden sich scheinbar Cluster aus "Kristallmaterial", das wurde an Hochtemperaturschmelzen aus notwendigen Unterkühlungen für das Wachstums abgeleitet. Die adsorbieren an der Oberfläche, können eine Oberflächendiffusion machen und dann entweder wieder gelöst werden oder sich an "atomaren" Kanten/Ecken auf der Fläche anlagern.

Das Verhältnis von Anlagern und Ablösen mit der durchschnittlichen Verweilzeit auf der Fläche bestimmt das Wachstum/das Auflösen.

@Berthold:
In der Realität ja, aber die Bruchlinien in spaltbaren Kristallen sind meist so Flächen an der  spezielle Ladungsmuster auftreten. Eigenlich sollten die Probleme an der frischen Oberfläche im UHV dann nach der Adhäsion und der neuen Bindungsausbildung wieder relaxieren - meine ich!

Frank

[giantcrystal]

Hallo aus Mittelfranken

Dieses Kristallzusammenfügen finde ich ein interessantes Thema.

Wenn ich die Kristallbruchstücke oder auch reine Einzelkristalle hinreichend stark zusammendrücke, müssten die sich dann nicht auch vereinigen lassen ?

Glück Auf

Thomas, auf der Suche nach dem Riesencalcit...