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Warum in Kristallographie investieren

Kristallographie spielt in der Entwicklung von fast allen neuen Materialien, von alltäglichen Produkten wie PC-Speicherkarten zu Flachbildschirmen, Autos und Flugzeugteilen. Kristallographen studieren nicht nur die Struktur von Materialien, sondern können dieses Wissen auch anwenden um eine Struktur zu verändern und so den Materialien neue Eigenschaften zu geben. Der Kristallograph kann dem neuen  Material auch seine „Fingerabdrücke“ abnehmen. Ein Unternehmen kann bei der Beantragung eines Patentes diesen Fingerabdruck dann benutzen um zu beweisen, dass die Substanz einzigartig ist.

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Neue Materialien spielen eine Rolle in der Entwicklung von smarter Kleidung. Schlaue Stoffe können luftdurchlässig oder wärmend sein, abhängig davon ob der Träger schwitzt oder friert. Bespielsweise können innere Bekleidungsteile mit Sensoren zur Überwachung der Körpertemperatur, der Atemfrequenz und des Herzschlages ausgestattet werden, welche die ermittelten Daten zum Handy des Träges senden. Äussere Bekleidungsteile könnten dagegen zur Detektion von giftigen Gasen, schädlichen Bakterien oder extremer Hitze dienen. Kristallographen können die Eigenschaften bestimmen, die zur Entwicklung solcher neuen Materialien benötigt werden. ©Sharee Basinger/ publicdomainpictures.net

Tatsächlich gibt es zahlreiche Anwendungen im Bereich der Kristallographie. Sie durchdringt unseren Alltag und bildet das Rückgrat vieler Industriezweige, die in steigendem Maße darauf angewiesen sind, Wissen für die Entwicklung neuartiger Produkte zu generieren, einschließlich der Felder Landwirtschaft, Raumfahrt, Automobilbau, Kosmetik, Computer, Pharmazie und Bergbau. Im folgenden sind einige Beispiele aufgeführt.

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Heute können Kristallographen eine grosse Bandbreite von Materialien untersuchen, darunter auch Flüssigkristalle. Flüssigkristallbildschirme werden in Flachbildschirmen von Fernsehern (Bild), Computern, Mobiltelefonen, Digitaluhren und vielen weiteren Dingen verwendet. Der Flüssigkristall produziert selbst kein Licht, er nimmt eine externe Quelle in Anspruch um energiesparend Bilder zu formen – genau wie das Hintergrundlicht am Fernseher. © Shutterstock/Andrey Popov

Die Mineralogie ist vermutlich der älteste Zweig der Kristallographie.  Praktisch alles, was wir über Gesteine, geologische Formationen und die Geschichte der Erde wissen, basiert auf der Kristallographie. Selbst unser Wissen über ‚kosmische Besucher‘ wie Meteoriten wird durch die Kristallographie erhalten. Es ist offensichtlich, dass dieses Wissen unerlässlich für den Bergbau und alle Industriebereiche ist, die Löcher in den Planeten Erde bohren, wie etwa die Wasser-, Erdöl- und Ergas- oder auch Geothermie-Industrie.

Kakaobutter, die wichtigste Zutat von Schokolade, kristallisiert in sechs verschiedenen Formen, aber nur eine davon schmilzt so angenehm im Mund und hat den Oberflächenglanz und die Knackigkeit, die sie so schmackhaft macht. Diese 'köstliche' Kristallform ist leider nicht sehr stabil und hat die Tendenz, sich in eine stabilere Modifikation umzuwandeln, die eine trübere Oberfläche und weichere Konsistenz aufweist und sehr viel langsamer im Mund schmilzt, so dass sich ein grobkörniges, sandiges Geschmackserlebnis auf der Zunge ergibt. Glücklicherweise verläuft diese Umwandlung recht langsam, aber wenn Schokolade lange oder bei erhöhten Temperaturen gelagert wird, kann sich ein fleckiger, gräulicher, weicher Belag bilden, der das Resulat dieser Umkristallisation ist. Schokoladenhersteller müssen daher ausgefeilte Kristallisationsprozesse anwenden, um die wünschenswerteste Kristallform zu erhalten - die einzige die von Feinschmeckern und Verbrauchern akzeptiert wird. Foto: Wikipedia

Kakaobutter, die wichtigste Zutat von Schokolade, kristallisiert in sechs verschiedenen Formen, aber nur eine davon schmilzt so angenehm im Mund und hat den Oberflächenglanz und die Knackigkeit, die sie so schmackhaft macht. Diese ‚köstliche‘ Kristallform ist leider nicht sehr stabil und hat die Tendenz, sich in eine stabilere Modifikation umzuwandeln, die eine trübere Oberfläche und weichere Konsistenz aufweist und sehr viel langsamer im Mund schmilzt, so dass sich ein grobkörniges, sandiges Geschmackserlebnis auf der Zunge ergibt. Glücklicherweise verläuft diese Umwandlung recht langsam, aber wenn Schokolade lange oder bei erhöhten Temperaturen gelagert wird, kann sich ein fleckiger, gräulicher, weicher Belag bilden, der das Resulat dieser Umkristallisation ist. Schokoladenhersteller müssen daher ausgefeilte Kristallisationsprozesse anwenden, um die wünschenswerteste Kristallform zu erhalten – die einzige die von Feinschmeckern und Verbrauchern akzeptiert wird. Foto: Wikipedia

Die Entwicklung von Wirkstoffen ist in starkem Maße abhängig vom Gebrauch der Kristallographie. Ein pharmazeutisches Unternehmen, das auf der Suche nach einem neuen Wirkstoff gegen ein spezifisches Bakterium oder Virus ist, muss zunächst ein kleines Molekül finden, das in der Lage ist, die aktiven Proteine (Enzyme) zu blockieren, die beim Befall der menschlichen Zellen involviert sind. Das Wissen um die genaue Form des Proteins erlaubt den Wissenschaftlern, eine wirksame Substanz zu entwickeln, die sich an das aktive Zentrum des Proteins heftet und damit seine schädliche Wirkung aufhebt.

Antikörper docken an einem Virus an. Die Kristallographie wird dazu verwendet die Qualität von hergestellten Arzneimitteln, einschließlich antiviralen Medikamenten, in der Phase der Massenproduktion zu kontrollieren. Damit wird sichergestellt, dass die strikten Gesundheits- und Sicherheitsrichtlinien beachtet werden. © IUCr

Antikörper docken an einem Virus an. Die Kristallographie wird dazu verwendet die Qualität von hergestellten Arzneimitteln, einschließlich antiviralen Medikamenten, in der Phase der Massenproduktion zu kontrollieren. Damit wird sichergestellt, dass die strikten Gesundheits- und Sicherheitsrichtlinien beachtet werden. © IUCr

Kristallographie ist auch notwendig um verschiedene feste Modifikationen eines Wirkstoffs voneinander zu unterscheiden, da sich ihre Löslichkeiten unter Umständen unterscheiden können, die wiederum die Effektivität beeinflussen können. Dies ist von hoher Bedeutung für die Generika produzierende pharmazeutische Industrie in Asien und Afrika, insbesondere dort, wo AIDS-Medikamente unter Zwangslizenzen produziert werden, um sie den Ärmsten zugänglich machen zu können.

Neue Materialien spielen eine Rolle in der Entwicklung von smarter Kleidung. Schlaue Stoffe können luftdurchlässig oder wärmend sein, abhängig davon ob der Träger schwitzt oder friert. Bespielsweise können innere Bekleidungsteile mit Sensoren zur Überwachung der Körpertemperatur, der Atemfrequenz und des Herzschlages ausgestattet werden, welche die ermittelten Daten zum Handy des Träges senden. Äussere Bekleidungsteile könnten dagegen zur Detektion von giftigen Gasen, schädlichen Bakterien oder extremer Hitze dienen. Kristallographen können die Eigenschaften bestimmen, die zur Entwicklung solcher neuen Materialien benötigt werden.

Der "Curiosity"-Rover setzte Röntgenkristallographie dazu ein, um Bodenproben vom Mars zu untersuchen! Die NASA hatte den Rover mit einem Diffraktometer ausgerüstet. Die Ergebnisse ließen vermuten, dass die Marsbodenprobe den verwitterten basaltischen Böden von Hawaiianischen Vulkanen ähnlich ist. Foto: NASA

Der „Curiosity“-Rover setzte Röntgenkristallographie dazu ein, um Bodenproben vom Mars zu untersuchen! Die NASA hatte den Rover mit einem Diffraktometer ausgerüstet. Die Ergebnisse ließen vermuten, dass die Marsbodenprobe den verwitterten basaltischen Böden von Hawaiianischen Vulkanen ähnlich ist. Foto: NASA