20.01.2011

Kolloidale Quasikristalle entdeckt

Aus Polymeren aufgebaute Kristalle mit 12- und 18-zähligen Symmetrien eignen sich für Anwendungen in der Photonik.

Aus Polymeren aufgebaute Kristalle mit 12- und 18-zähligen Symmetrien eignen sich für Anwendungen in der Photonik.

Quasikristalle zeichnen sich durch eine sehr ungewöhnliche Anordnung der Atome aus. In normalen Kristallen bilden die Atome geordnete periodische Strukturen; d.h. sie fügen sich zu einer lückenlosen Gesamtstruktur zusammen, in der sich ein einziges symmetrisches Muster regelmäßig wiederholt. Aus geometrischen Gründen sind dabei nur 1-, 2-, 3-, 4- und 6-zählige Symmetrien möglich. Anders verhält es sich bei Quasikristallen. Hier liegen geordnete aperiodische Strukturen vor; d.h. es gibt mindestens zwei verschiedene symmetrische Muster, die sich nicht regelmäßig wiederholen, aber trotzdem eine lückenlose Gesamtstruktur bilden. Unter dieser Voraussetzung können auch 8-, 10- oder 12-zählige Symmetrien vorkommen.

Abb.: Links ist das Beugungsbild eines kolloidalen Quasikristalls mit 12-zähliger Symmetrie zu sehen, darunter das zugehörige Kachelungsmuster. Auf der rechten Seite sind die entsprechenden Abbildungen für 18-zähliger Symmetrie dargestellt. (Bild: Lehrstuhl Physikalische Chemie I, Uni Bayreuth)

Bei den entdeckten kolloidalen Quasikristallen handelt es sich um Hydrogele – Polymere, die Wasser enthalten, aber selbst nicht wasserlöslich sind. Sie besitzen eine relativ einfache Struktur und kommen dadurch zustande, dass sich mehrere gleichartige „Bausteine“ durch Selbstorganisation zusammenfügen. Diese Bausteine sind polymere Mizellen: kugelförmige Gebilde mit Durchmessern zwischen 5 und 100 Nanometern. In Beugungsexperimenten wurde nicht nur eine 12-zählige Symmetrie, sondern erstmals eine 18-zählige Symmetrie beobachtet.

Solche Materialien sind für photonische Bauelemente interessant, da Strukturen mit hohen Beugungssymmetrien die Eigenschaft haben, Lichtstrahlen nur in bestimmte Richtungen durchzulassen. Sie sind ein besonders gut geeignetes Medium, wenn es darum geht, Lichtstrahlen von einer bestimmten Wellenlänge in vorab definierte Richtungen weiterzuleiten.

Die Wissenschaftler in Bayreuth, Hamburg und Grenoble arbeiten derzeit intensiv daran, dass sich polymere Mizellen zu quasikristallinen Großstrukturen mit Abmessungen über 100 nm zusammenschließen, die in photonischen Bauelementen zum Einsatz kommen können.

Uni Bayreuth / KK

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