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Mittwoch, 22. September 2010
Forscher ergründen Symmetriegesetze der Natur:

Stuttgart/ Deutschland - Manche Symmetrien mag die Natur, andere offenbar nicht.
Oft weisen geordnete Festkörper eine sogenannte sechszählige Rotationssymmetrie auf.
Dabei umgeben sich die Atome in einer Ebene jeweils mit sechs Nachbarn,
wie man dies von Bienenwaben kennt. Geordnete Materialien mit sieben, neun- oder
elfzähliger Symmetrie scheinen in der Natur dagegen nicht vorzukommen.

Den Grund hierfür haben nun Forscher der "Universität Stuttgart",
des "Max-Planck-Instituts für Metallforschung" und der "TU Berlin" gefunden,
als sie versuchten einer Lage geladener Kolloidteilchen mit starken Laserfeldern
eine siebenzählige Symmetrie aufzuzwingen:
Für die Entstehung geordneter Strukturen sind demnach Keimzellen erforderlich,
die in Symmetrien, die die Natur bevorzugt, besonders häufig auftreten.

Atome in Metallen ordnen sich häufig nach einer sechszähligen Rotationssymmetrie an.
Daneben existieren andere, kompliziertere Strukturen, etwa mit fünf-, acht- oder zehnzähliger
Rotationssymmetrie. "Bemerkenswert ist, dass Materialien mit sieben-, neun- oder elfzähliger
Symmetrie in der Natur noch nie beobachtet wurden", erläutert Clemens Bechinger,
Professor an der "Universität Stuttgart" und Fellow am "Max-Planck-Institut für Metallforschung".

Wurden solche Materialien bisher einfach übersehen oder hat die Natur etwa eine Abneigung gegen
gewisse Symmetrien? Der Physiker Clemens Bechinger ist dieser Frage mit seinen Mitarbeitern nun
nachgegangen. Die Antwort könnte unter anderem helfen, Materialien für technische Anwendungen
maßzuschneidern. Denn die Eigenschaften eines Materials hängen generell stark von seiner
Rotationssymmetrie ab. Graphit und Diamant etwa bestehen beide aus Kohlenstoffatomen und
unterscheiden sich ausschließlich in der Kristallsymmetrie.

Um Materialien mit siebenzähliger Symmetrie herzustellen, greifen die Forscher zu einem Trick:
Sie erzeugen mit Laserstrahlen ein Lichtmuster mit siebenzähliger Symmetrie.
Darin bringen sie eine Lage von Kolloidteilchen ein. Das elektromagnetische Feld des
Lichtmusters wirkt auf die Teilchen wie eine Gebirgslandschaft, in der sie sich bevorzugt in die
Täler setzen. Die Kolloidteilchen versuchen eine Anordnung mit sechszähliger Symmetrie zu bilden.

Indem die Forscher die Intensität der Laser erhöhen, verstärken sie den Zwang auf die Teilchen,
eine siebenzählige Symmetrie zu bilden. Auf dieselbe Weise pferchen die Physiker die Teilchen
in ein fünfzähliges Lichtgitter und beobachten, dass für das Erzwingen der fünfzähligen Symmetrie
viel geringere Laserintensitäten ausreichen.

Als Ausgangspunkte für die entstehenden Symmetrien haben die Forscher blütenförmige Strukturen
im Lichtmuster identifiziert, die bei fünfzähliger Symmetrie gut 100 Mal häufiger auftreten als im
siebenzähligen Muster. Demnach ist also einfach die Dichte dieser Keimzellen verantwortlich dafür,
dass die Natur bestimmte Symmetrien bevorzugt. Das Wissen, wie sich neue Materialien mit unkonventionellen
Symmetrien erzeugen lassen, ist nützlich, da sie über interessante Eigenschaften verfügen,
wie etwa einen sehr kleinen Reibungswiderstand.

In Form von dünnen Beschichtungen könnten solche Materialien beispielsweise die Gleitfähigkeit
beweglicher Teile verbessern. Auch photonische Kristalle mit siebenzähliger Symmetrie
bieten neue Verwendungsmöglichkeiten, da ihre optischen Eigenschaften weniger stark von
der Einfallsrichtung eines Lichtstrahls abhängen.

Solche Lichtmuster erzeugen die Stuttgarter Forscher, indem sie mehrere Laserstrahlen überlagern.
In den Laser-Reliefen bilden sich dabei blütenförmige Strukturen, die als Keimzellen für die Ordnung dienen.
Im siebenzähligen Muster (zweites von rechts) treten sie aber sehr selten auf -
in der Natur finden sich daher keine Materialien mit siebenzähliger Symmetrie.
| Copyright/Quelle: Jules Mikhael, Uni Stuttgart