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 Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

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: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

Invitation to the upcoming "Current Topics in Bioinformatics: Big Data in Genomics and Medicine"

13.04.2018 | Event News

Unique scope of UV LED technologies and applications presented in Berlin: ICULTA-2018

12.04.2018 | Event News

IWOLIA: A conference bringing together German Industrie 4.0 and French Industrie du Futur

09.04.2018 | Event News

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics