Forscher der Universität Halle entdecken neue Klasse der Quasikristalle

Den Strukturen der Quasikristalle auf der Spur: Doktorand René Hammer und Prof. Dr. Wolf Widdra (v.l.) Foto: Uni Halle/Maike Glöckner
Den Strukturen der Quasikristalle auf der Spur: Doktorand René Hammer und Prof. Dr. Wolf Widdra (v.l.) Foto: Uni Halle/Maike Glöckner
Den Strukturen der Quasikristalle auf der Spur: Doktorand René Hammer und Prof. Dr. Wolf Widdra (v.l.) Foto: Uni Halle/Maike Glöckner

Eine Sensation an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU): Die Forscher um den Physiker Prof. Dr. Wolf Widdra konnten zeigen, dass es möglich ist, aus Oxiden einen Quasikristall aufzubauen. Solche Strukturen waren bisher nur bei wenigen Metalllegierungen und sehr weichen Kolloidsystemen zu finden. Die auf deren Basis entwickelten Materialien haben ungewöhnliche und technologisch hochinteressante Eigenschaften. Die Entdeckung der halleschen Forscher erweitert das Anwendungsspektrum dieser neuen Materialien deutlich. Ihre Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Lange Zeit hatten Forscher geglaubt, dass Kristalle immer regelmäßig und in einer periodisch wiederkehrenden Struktur aufgebaut sind. Erst die 2011 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichneten Arbeiten des israelischen Physikers Dan Shechtman konnten zeigen, dass es auch andere Kristallformen gibt, die vorher unvorstellbar waren und zum Beispiel fünfeckige Kristallflächen aufweisen. Diese als Quasikristalle bezeichneten Kristall-Strukturen haben ein geordnetes Gitter, das sich aber nirgends wiederholt. Man nennt sie deshalb auch aperiodische Kristalle.

Das Team um Prof. Dr. Wolf Widdra hat für die Forschung nun neue Türen aufgestoßen, da die Wissenschaftler erstmals nachweisen konnten, dass auch Oxide eine quasikristalline Struktur ausbilden können („Nature“-Ausgabe vom 10.10 2013, 10.1038/nature12514). Das gelang ihnen in dünnen Schichten, die auf einer Metallunterlage präpariert worden waren. Die gefundene quasikristalline Oxidschicht ist nur wenige Atomdurchmesser dick, bildet sich aber perfekt aus, wie Elektronenbeugung und atomar aufgelöste Mikroskopie zeigen.

Seit der Entdeckung des Graphens, eines atomar dünnen Kohlestoffkristalls, durch Konstantin Novoselov und André Geim, denen 2010 der Nobelpreis für Physik zuerkannt wurde, sind Materialien mit einem zweidimensionalen Charakter ein sich weltweit stark entwickelndes Forschungsgebiet in den modernen Materialwissenschaften. Die Entdeckung der halleschen Wissenschaftler fügt dieser Entwicklung ein weiteres wichtiges Kapitel hinzu: „Es ist die zweidimensionale Grenzfläche zwischen Oxid und Metall, der Wettstreit zwischen unterschiedlicher Materialien und Symmetrien an dieser Grenzfläche, der diese quasikristallinen Oberflächen erst entstehen lässt. Ohne diesen Wettstreit würden sich nur ganz normale und bekannte kubische Oxidkristalle ausbilden“, erläutert Widdra, der auch Fellow am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle ist.

Entdeckt wurden die quasikristallinen Oxidschichten bei Forschungsarbeiten im Sonder­forschungs­bereich (SFB) 762 „Funktionalität oxidischer Grenzflächen“, an dem neben den Instituten für Physik und Chemie der MLU auch das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle und die Universität Leipzig beteiligt sind. Der SFB 762 ist Angelpunkt des Forschungsschwerpunktes „Nanostrukturierte Materialien“ der MLU, der auch durch das Land Sachsen-Anhalt gefördert wird.

Informationen zur Fachgruppe Oberflächen- und Grenzflächenphysik

Quelle: MLU
Foto: Uni Halle/Maike Glöckner