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Wissenschaftler filmen erstmals die „Atom-Geburt eines Kristalls“:


Die Schemazeichnung zeigt, wie sich Eisenatome zu einer geordneten Kristallgitterstruktur zusammenlagern.
Copyright/Quelle: Dr. Kecheng Cao / Uni Ulm

Ulm (Deutschland) – Erstmals ist es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, in Echtzeit zu beobachten und zu filmen, wie einzelne Atome beginnen, sich zu einer dreidimensionalen Gitterstruktur anzuordnen und so die atomare Grundlage der Entstehung eines Kristalls zu bilden.

Wie das internationale Team um Dr. Kecheng Cao und Professorin Ute Kaiser von der Arbeitsgruppe Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Nottingham und Leeds sowie des japanischen „National Institute of Advanced Industrial Science and Technology“ aktuell im Fachjournal „Nature Chemistry“ (DOI: 10.1038/s41557-020-0538-9) berichtet, wurden sie Zeugen, wie sich Eisenatome unter dem Einfluss eines Elektronenstrahls zunächst ungeordnet zusammenschlossen, bevor sie sich zu einer regelmäßigen Gitterstruktur formierten. Für diesen Vorgang gab es bislang lediglich zwei sich widersprechende Theorien.

„Haushaltszucker besteht aus Kristallen, Kochsalz ebenso, und im Winter fallen Eiskristalle als Schnee vom Himmel. Auch in unseren Metallen sind die winzigen Atome regelmäßig in einem sogenannten Kristallgitter angeordnet. Die Metalle und ihr Verhalten unter wechselnden Einflüssen sind zwar recht gut erforscht, allerdings war bislang nicht belegt, wie die Keimbildung von Kristallen abläuft“, berichtete die Pressemitteilung der Universität.

„In der Standardliteratur gab es bislang zwei Modelle, wie das Keimen eines Kristalls ablaufen könnte“, erläutert Kaiser und führt dazu weiter aus: „Eines ging davon aus, dass sich Atome, ähnlich wie Legosteine, einer nach dem anderen aneinandersetzen und so das Kristallgitter bilden. Das zweite Modell nahm an, es könnte eine ungeordnete Zwischenphase geben, aus der heraus sich der Kristall bildet.“

Ein Modell kristallisiert sich heraus
Wie die Forschenden nun zeigen können, wurde die Keimbildung durch Energieübertragung des Elektronenstrahls des Mikroskops auf die Eisenatome ausgelöst. „Dabei offenbarte sich schließlich, dass zunächst einige wenige Eisenatome eine amorphe Phase bildeten, also eine flüssigkeitsähnliche Häufung von Atomen ohne innere Struktur“.


Die Zusammenstellung an TEM-Aufnahmen zeigt die Keimbildung von Eisen-, Gold- und Rhenium-Atomen: vom individuellen Atom über die Phase amorpher Nanocluster bis hin zum geordneten Kristallisationskeim.
Copyright: Dr. Kecheng Cao / Uni Ulm

„Wir haben herausgefunden, dass die Atome erst oberhalb einer kritischen Anzahl zwischen 10 und 20 beginnen, sich zu einer regelmäßigen Gitterstruktur zu ordnen. Damit konnten wir den Beweis erbringen, dass die Keimbildung von Kristallen auf einem zweistufigen Nukleationsmechanismus basiert“, beschreibt Cao die Entdeckung. In weiteren Untersuchungen mit Eisen-, Gold- und Rhenium-Atomen konnten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen diesen Prozess dann gezielt und dabei immer ein ähnliches Verhalten gesehen beobachten.

In zukünftigen Studien wollen die Forscher nun untersuchen, ob es bei anderen Materialien wie etwa Metalllegierungen abweichende Abläufe gibt.

Quelle: Universität Ulm, Nature
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