Quasikristalle aus metall-organischen Netzwerken

Anders als klassische Kristalle besitzen Quasi­kristalle zwar ein über­geordnetes Muster, bestehen jedoch nicht aus periodischen Einheiten. Sie bilden so faszi­nierende Mosaike, deren Entstehung kaum verstanden ist. Forscher der Technischen Universität München stellen nun im Rahmen einer inter­nationalen Kooperation eine Methodik vor, mit der sich zwei­dimensionale Quasi­kristalle aus metall-organischen Netz­werken herstellen lassen. Dieser Ansatz ermöglicht es, neue quasi­kristalline Strukturen zu bauen und viel­versprechende Materialien zu entwickeln.

Als der Physiker Daniel Shechtman 1982 die Ergebnisse seines letzten Experimentes ansah, war er so überrascht, dass er verblüfft drei Frage­zeichen in sein Laborbuch notierte. Vor ihm lag ein kristallines Muster, das zu dieser Zeit als unmöglich galt. Denn nach der seinerzeit kano­nischen Lehr­meinung weisen Kristalle immer eine Trans­lations­symmetrie auf. Sie bestehen aus einer einzigen Grund­einheit, der Elementar­zelle, die sich in allen Raum­richtungen immer wieder genau gleich wiederholt.

Shechtmans Muster jedoch wies zwar auf eine globale Symmetrie hin, jedoch ließen sich die einzelnen Bausteine nicht durch einfache Verschiebung aufeinander abbilden – der erste Quasi­kristall war entdeckt. Trotz teilweiser massiver Kritik namhafter Kollegen hielt Shechtman unbeirrt an seinem Konzept fest und revolu­tionierte so das wissenschaft­liche Verständnis von Kristallen und Festkörpern. 2011 wurde er dafür mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Unter welchen Bedingungen und auf Grund welcher Mechanismen die faszi­nierenden Strukturen jedoch entstehen, bleibt bis heute jedoch vielfach ein Rätsel.

Nun haben Wissen­schaftler um Wilhelm Auwälder und Johannes Barth vom Institut für Oberflächen­physik der TU München in Zusammenarbeit mit der Hong Kong University of Science and Techno­logy und dem spanischen Forschungs­institut IMDEA Nano­science eine neue Grundlage zum Bau zwei­dimensionaler Quasi­kristalle entwickelt, die sie dem Verständnis der wunder­samen Muster einen großen Schritt näher bringt. Dabei gelangen bahn­brechende Messungen. „Wir besitzen nun ein neues Set an Bausteinen, aus denen wir viele verschiedene neue quasi­kristalline Strukturen bauen können“, erklären die TUM Physiker. „Diese Vielfalt eröffnet uns neue Möglich­keiten zu untersuchen, wie Quasi­kristalle entstehen.“

Den Forschern war es gelungen Europium – ein Metallatom aus der Klasse der Lanthanoide – mit orga­nischen Verbin­dungen zu verknüpfen und so einen zwei­dimensionalen Quasi­kristall zu bauen, der sich potentiell sogar zu einem drei­dimensionalen Quasi­kristall erweitern lässt. Bislang hatten Wissen­schaftler aus metall-organischen Netzwerken zwar sehr viele periodische, teilweise hochkomplexe Strukturen bauen können, jedoch noch nie einen Quasi­kristall.

Die neue Netzwerk­geometrie konnten die Forscher mit Hilfe eines Raster­tunnel­mikroskops zudem in einmalig hoher Auflösung detailliert aufklären. Es zeigte sich ein Mosaik aus vier verschiedenen Grund­elementen, die aus Drei- und Vierecken aufgebaut und unregelmäßig auf einem Substrat verteilt sind. Dabei lagern sich bestimmte dieser Grund­elemente zu regulären 12-Ecken zusammen, die sich jedoch nicht durch parallele Verschiebung aufeinander abbilden lassen. Es entsteht ein komplexes Muster, ein kleines Kunstwerk auf atomarer Ebene das eine dodeka­gonale Symmetrie aufweist.

In zukünftigen Arbeiten planen die Forscher zunächst, die Wechsel­wirkungen der Metall­zentren mit ihren Verbindungs­stücken mit Hilfe von Computer­simulationen und im Experiment zu variieren um zu verstehen, unter welchen Bedingungen sich zwei­dimensionale Quasikristalle bilden. Dieses Verständnis könnte helfen, in Zukunft gezielt neue quasi­kristalline Schichten zu entwickeln.

Solche Materialien sind viel­versprechend. Denn die neuen metall-organischen quasi­kristallinen Netzwerke könnten Eigen­schaften besitzen, die sie für viele verschiedene Anwendungs­gebiete interessant machen. „Wir haben uns nun eine neue Spielwiese erschlossen, auf der wir nicht nur Quasi­kristallinität erforschen, sondern auch neue Funktiona­litäten erschaffen können, vor allem in den Bereichen Optik und Magnetismus“, sagt David Écija. Zum einen könnten Wissen­schaftler mit der neuen Methodik einmal gezielt quasi­kristalline Beschich­tungen schaffen, die Photonen so beeinflussen, dass sie besser weiter­geleitet oder nur bestimmte Wellen­längen durch das Material durchgelassen werden.

Außerdem könnten die Wechsel­wirkungen der Lanthanid-Bausteine in den neuen Quasi­kristallen helfen, magnetische Systeme mit ganz besonderen Eigen­schaften zu entwickeln: Sogenannte „frustrierte Systeme“. Hier stören sich die einzelnen Atome eines Kristall­gitters so, dass an einem Gitter­punkt kein Energie­minimum erreicht werden kann. Die Folge sind exotische magnetische Grund­zustände, die beispiels­weise als Informations­speicher für künftige Quanten­computer erforscht werden.

TUM / JOL