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Quasikristall

In einem normalen Kristall sind Atome bzw. Moleküle in einer periodischen, sich dreidimensional wiederholenden Struktur angeordnet. Jede Zelle ist von einer anderen Zelle umgeben, die ein identisches Muster bilden.

Quasikristalle sind Festkörper mit atomarer Fernordnung, jedoch fehlender Translationssymmetrie, in welchen die Atome, resp. Moleküle quasiperiodisch in einer scheinbar regelmäßigen, aber in Realität aperiodischen Struktur angeordnet sind und welche scharfe Beugungspunkte besitzen. Jede Zelle ist jeweils von einem anderen Muster umgeben. Quasikristalle ermöglichen gegenüber normalen Kristallen eine 5-, 8-, 10-, 12-zählige Symmetrie (normale Kristalle 1-, 2-, 3-, 4-, 6-zählige Symmetrien). Bisher sind mehrere hundert stabile oder metastabile pentagonale, dekagonale, ikosoadrische Phasen bekannt; dies sind meist ternäre Legierungen mit Al als Hauptbestandteil. Die meisten der metastabilen Phasen gehen bei höheren Temperaturen in periodisch kristalline Phasen über.


Physikalische Eigenschaften

Quasikristalle haben gegenüber Normalkristallen eher ungewöhnliche Materialeigenschaften: sie werden bei höheren Temperaturen superplastisch und die elektrische Leitfähigkeit nimmt mit steigender Temperatur zu; bei Umgebungstemperatur sind sie spröde und hart; sie besitzen eine niedrige Oberflächenstruktur.


Anwendungstechnik

Es sind bisher mehr als 60 meist auf der Basis von Ti oder Al basierende Legierungssysteme bekannt, welche eine oder mehrere quasikristalline Phasen bilden können. Aus Al-Cu-Co- bzw. Al-Cu-Fe-Legierungen kann man mit bekannten Kristallzüchtungsverfahren Ein-Quasikristalle von mehreren cm Größe direkt aus der Schmelze ziehen.
Aufgrund der hohen Härte und Elastizität sowie der ungewöhnlichen plastischen Verformbarkeit besitzen Quasikristalle technisch erwartungsvolle Eigenschaften. Aufgrund ihrer Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern, könnten sie so auch zu einem interessanten Anwendungspotential führen.


Die Entdeckung der Quasikristalle

Es war bekannt, dass sich periodische Kristalle nicht bilden, wenn geschmolzenes Material auf der Stelle abgekühlt wird, da die Atome eine gewisse Zeit benötigen, um sich strukturell anzuordnen. Stattdessen waren bereits mehrfach durch die abrupte Abkühlung bislang nicht bekannte und neuartige Gitterstrukturen entstanden.
Quasikristalle wurden 1984 von Shechtmann, Blech, Gratias und Cahn bei Untersuchungen einer ungewöhnlichen Aluminium-Mangan-Legierung (Schmelze) experimentell nachgewiesen, indem sie diese Schmelze gegen eine rotierende, gekühlte Scheibe spritzten und dadurch eine abrupte Abkühlung von ca. 1 mio °C pro Sekunde erfolgte.


Literatur (tw. zitiert)

  • Hullin, M.; 2004; Quasikristalle: Entdeckung, Materialien, Eigenschaften (eine Zusammenfassung); www.wissenschaft-online.de
  • Nelson, D.R.; 1986; Quasikristalle. Spektr. d. Wissensch., 11/1986
  • Shechtman, D. et.al., 1984; Metallic phase with long-range orientational order and no translation symmetry; Phys. Rev. Lett : 53
  • Stephens, P.W., Goldman, A.I., 1991; Die Struktur der Quasikristalle; Spektr. d. Wissensch. 6/1991
  • Spektrum der Wissenschaft, 1987; Neue Werkstoffe; Sonderheft
  • Spektrum der Wissenschaft; 1996; Digest 3 : Moderne Werkstoffe
  • Thrower, P.A.; 1996; Materials in Todays World

Links

aperiodische Kristalle, Kristall, Kristallbaufehler, Symmetriegesetz, ternär, Parkettierung


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