Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kolloidale Quasikristalle entdeckt

20.01.2011
Eine internationale Forschungsgruppe um Professor Stephan Förster, Universität Bayreuth, hat erstmals kolloidale Quasikristalle entdeckt.

Im Unterschied zu den bisher bekannten Quasikristallen, die sich nur unter speziellen Laborbedingungen herstellen lassen, handelt es sich um einfach strukturierte Polymere, die durch Selbstorganisation entstehen. Aufgrund ihrer Struktureigenschaften werden sie voraussichtlich bei der Entwicklung neuartiger Bauelemente in der Photonik zum Einsatz kommen können. Darüber berichten die beteiligten Wissenschaftler aus Bayreuth, Zürich, Hamburg und Grenoble in den "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)".


A: Beugungsbild eines kolloidalen Quasikristalls mit 12-zähliger Symmetrie; darunter das zugehörige Kachelungsmuster. – B: Beugungsbild eines kolloidalen Quasikristalls mit 18-zähliger Symmetrie; darunter wiederum das zugehörige Kachelungsmuster. - Das Kachelungsmuster stellt jeweils die lückenlose Gesamtstruktur dar.
Abbildungen: Lehrstuhl Physikalische Chemie I, Universität Bayreuth; mit Quellenangabe zur Veröffentlichung frei.

Ungewöhnliche symmetrische Strukturen,
in Beugungsexperimenten sichtbar gemacht
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. Diese Zahlenangabe besagt, wie oft sich eine Struktur in Winkeln zwischen 0 und 360 Grad so drehen lässt, dass sie mit sich selbst zur Deckung kommt. 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.

Diese strukturellen Unterschiede zwischen Kristallen und Quasikristallen lassen sich in Beugungsexperimenten mit elektromagnetischen Wellen sichtbar machen. Dabei entstehen Beugungsmuster, an denen sich ablesen lässt, wie Kristalle und Quasikristalle aufgebaut sind. Die erkennbaren symmetrischen Strukturen werden in der Forschung als Beugungssymmetrien bezeichnet.

Kolloidale Quasikristalle,
hervorgegangen aus Prozessen der Selbstorganisation
Bei den entdeckten kolloidalen Quasikristallen handelt es sich um Hydrogele, also um 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: kleine kugelförmige Gebilde mit Durchmessern zwischen 5 und 100 Nanometern, die ohne labortechnischen Aufwand in größerem Maßstab herstellbar sind. Deshalb sind kolloidale Quasikristalle für viele Wissenschaftler und auch für die Industrie leicht zugänglich.

Schon seit längerer Zeit untersucht die Arbeitsgruppe von Prof. Stephan Förster an der Universität Bayreuth polymere Mizellen, die sich zu Gitterstrukturen zusammenlagern können – und zwar auf Längenskalen von bis zu 100 Nanometern. Bei gemeinsamen Forschungsarbeiten am Institut Laue-Langevin in Grenoble und am DESY in Hamburg wurde nun kürzlich entdeckt, dass aus derartigen Prozessen der Selbstorganisation quasikristalline Gitterstrukturen hervorgehen können. In Beugungsexperimenten wurde nicht nur eine 12-zählige Symmetrie, sondern erstmals überhaupt eine 18-zählige Symmetrie beobachtet.

Perspektiven für innovative Anwendungen in der Photonik

Derartige Experimente sind keineswegs praxisferne "Glasperlenspiele" der Grundlagenforschung. Denn für hochzählige Beugungssymmetrien in kolloidalen Quasikristallen interessiert sich die Photonik, eine Disziplin der Physik, die auf die Entwicklung optischer Technologien für die Übertragung und Speicherung von Informationen abzielt. Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, dass 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. Infolgedessen sind Strukturen mit hohen Beugungssymmetrien hochinteressant für die Herstellung photonischer Bauelemente.

Eignen sich also die jetzt entdeckten Hydrogele mit ihren hohen Beugungssymmetrien als "Baumaterialien" für die Photonik? Dafür muss noch eine Hürde überwunden werden: Die Photonik benötigt Strukturmerkmale von mehreren hundert Nanometern, während kolloidale Quasikristalle nicht über 100 Nanometer hinausreichen. Die Wissenschaftler in Bayreuth, Hamburg und Grenoble arbeiten daher derzeit intensiv daran, dass sich polymere Mizellen zu quasikristallinen Großstrukturen zusammenschließen, die in photonischen Bauelementen zum Einsatz kommen können. "Ich bin zuversichtlich, dass diese Bestrebungen schon bald zum Erfolg führen werden", erklärt Prof. Stephan Förster.

Quasikristalle – nicht länger eine Laborkuriosität

Kolloidale Quasikristalle sind daher voraussichtlich weit besser für Anwendungen in der Photonik geeignet als die ca. 100 quasikristallinen Verbindungen, die bisher bekannt waren. Hierbei handelt es sich fast ausschließlich um Metall-Legierungen, die nur in kleinen Mengen und unter speziellen Laborbedingungen hergestellt werden können. Zudem bewegen sich diese quasikristallinen Strukturen auf einer Größenskala zwischen 0,1 und 1 Nanometer und sind daher für den praktischen Einsatz in der Photonik erst recht zu winzig. Um quasikristalline Strukturen für die Photonik herzustellen, bedurfte es daher bisher sehr aufwändiger elektronen-lithographischer Verfahren. Dass Quasikristalle überhaupt existieren, wurde erstmals 1984 von einem Forschungsteam um den US-amerikanischen Physiker Dan Shechtman nachgewiesen. Danach galten Quasikristalle lange Zeit als eine Laborkuriosität, bis die Photonik auf deren ungewöhnliche Struktureigenschaften aufmerksam wurde.

Zu der internationalen Forschergruppe, die mit ihrer Entdeckung kolloidaler Quasikristalle jetzt an die Öffentlichkeit tritt, gehören zusammen mit Stephan Förster und seiner Forschergruppe an der Universität Bayreuth auch Prof. Walter Steurer und Dr. Sofia Deloudi (ETH Zürich), Dr. Peter Lindner (ILL Grenoble) und Dr. Jan Perlich (DESY Hamburg).

Veröffentlichung:

Steffen Fischer, Alexander Exner, Kathrin Zielske, Jan Perlich, Sofia Deloudi, Walter Steurer, Peter Lindner, Stephan Förster,
Colloidal quasicrystals with 12-fold and 18-fold diffraction symmetry,
in: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), PNAS published ahead of print January 11, 2011,

DOI-Bookmark: 10.1073/pnas.1008695108

Kontakt für weitere Informationen:

Prof. Dr. Stephan Förster
Lehrstuhl Physikalische Chemie I
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel: +49 (0)921 / 55–2760
E-Mail (Sekr.): elisabeth.duengfelder@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | Universität Bayreuth
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten