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Was ist Kristallographie?

Kristalle findet man überall in der Natur. Besonders häufig sind sie in Gesteinsformationen als Minerale (Edelsteine, Graphit usw.) anzutreffen, aber auch andernorts, zum Beispiel in Schneeflocken, Eis und Salzkörnchen. Seit der Antike waren die Gelehrten fasziniert von der Schönheit der Kristalle, ihrer symmetrischen Form und Farbvielfalt. Jene frühen Kristallographen wendeten die Geometrie auf das Studium der Kristalle in der natürlichen Welt an.

Zu Beginn des 20ten Jahrhunderts wurde entdeckt, dass Röntgenstrahlung dazu verwendet werden konnte, die Struktur von Festkörpern zerstörungsfrei zu „beobachten“. Dies war die Geburtsstunde der modernen Kristallographie. Röntgenstrahlen wurden bereits 1895 entdeckt. Es handelt sich dabei um Lichtstrahlen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind. Treffen Röntgenstrahlen auf ein Objekt, streuen dessen Atome die Strahlen. Kristallographen fanden heraus, dass Kristalle wegen ihrer regulären Anordnung von Atomen die Strahlen nur in wenige, spezifische Richtungen streuen. Durch Ausmessen der Richtungen und der Intensitäten dieser gestreuten Strahlen waren die Wissenschaflter in der Lage, ein dreidimensionales Bild der atomaren Struktur von Kristallen modellieren. Auf Grund dreier Eigenschaften von Kristallen sind diese ideale Objekte, um die atomare oder molekulare Struktur der Materie zu untersuchen: sie sind meistens Feststoffe, sie sind meistens dreidimensional und aus sehr regelmäßigen und oft hochsymmetrischen Atomanordnungen aufgebaut.

Dank der Röntgenkristallographie sind die Wissenschaftler dazu in der Lage, die chemischen Bindungen zu untersuchen, welche die Atome zusammenhalten. Man denke nur zum Beispiel an Graphit und Diamant. Diese Mineralien sehen einander kaum ähnlich: eines ist undurchsichtig und weich (aus Graphit werden Bleistifte hergestellt), während das andere durchsichtig und hart ist. Und doch sind Graphit und Diamant in chemischer Hinsicht nahe Verwandte, da sie beide aus Kohlenstoff bestehen. Es ist die Fähigkeit – auf Grund seiner chemischen Bindungsstruktur –  Licht zu streuen, die dem Diamanten seinen „Glanz“ verleiht. Das wissen wir dank der Röntgenkristallographie.

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Schneeflocken sind Kristalle. Ihre hexagonale Symmetrie ergibt sich aus der Art, in der die Wassermoleküle aneinander gebunden sind.
Bild: Wikipedia

Am Anfang konnte die Röntgenkristallographie nur dazu verwendet werden, feste Kristalle mit regelmäßigen Atomanordnungen zu untersuchen. Man konnte damit zum Beispiel Mineralien und viele andere Verbindungen wie Salz und Zucker studieren, oder auch Eis, aber nur solange, bis es schmolz.

Ein Graphitklumpen (links) und ein Rohdiamant (rechts). Diese zwei Kristalle mögen einander nicht ähnlich sehen, aber sie sind in Wirklichkeit nahe verwandt, da beide aus reinem Kohlenstoff bestehen. Was dem DIamanten zu seinem Glanz verhilft ist seine Eigenschaft, wegen der Struktur seiner chemischen Bindungen Licht zu streuen. Fotos: Wikipedia Die Kristallstruktur von Graphit (links) ist sehr unterschiedlich von der von Diamant. © IUCr

Oben: Ein Graphitklumpen (links) und ein Rohdiamant (rechts). Diese zwei Kristalle mögen einander nicht ähnlich sehen, aber sie sind in Wirklichkeit nahe verwandt, da beide aus reinem Kohlenstoff bestehen. Was dem DIamanten zu seinem Glanz verhilft ist seine Eigenschaft, wegen der Struktur seiner chemischen Bindungen Licht zu streuen. Fotos: Wikipedia. Unten: Die Kristallstruktur von Graphit (links) ist sehr unterschiedlich von der von Diamant. © IUCr

Das ist so, weil es die Bewegung der Moleküle in einer Flüssigkeit unmöglich macht, ein interpretierbares Streusignal aufzunehmen. Kristallographen haben entdeckt, dass sie biologische Materialien wie Proteine oder DNA untersuchen konnten, wenn sie Kristalle aus ihnen herstellten. Das erweiterte die Reichweite der Kristallographie bis in die Biologie und Medizin hinein. Die Entdeckung kam zu einer Zeit, als die wachsende Rechenleistung von Computern es ermöglichte, die Strukturen dieser viel komplexeren Kristalle zu modellieren.

Nach 100 Jahren der Entwicklung ist die Röntgenkristallographie die führende Methode zum Studium der atomaren Struktur von Materialien und den zugehörigen Eigenschaften. Sie befindet sich nun im Zentrum der Fortschritte in vielen Wissenschaftsgebieten.
Immer noch werden neue kristallographische Methoden eingeführt und neue Quellen (Elektronen, Neutronen und Synchrotronstahlung) stehen bereit. Diese Entwicklungen befähigen die Kristallographen die atomare Struktur von Objekten zu untersuchen, die keine perfekten Kristalle sind, eingeschlossen Quasikristalle und Flüssigkristalle.

Die Entwicklung von Maschinen, die in der Lage waren intensives Licht und Röntgenstrahlung zu erzeugen (Synchrotrone), revolutionierte die Kristallografie. Riesige Forschungseinrichtungen, in denen Synchrotrone untergebracht sind, werden von Kristallographen benutzt, die in so verschiedenen Gebieten wie Biologie, Chemie, Materialwissenschaften, Physik, Archäologie und Geologie arbeiten. Synchrotrone ermöglichen Archäologen zum Beispiel, die Zusammensetzung und das Alter von Fundstücken zu bestimmen, die zehntausende von Jahren alt sind und Geologen, Meteoriten und Mondgestein zu analysieren und zu datieren.

Dreidimensionales Bild einer Kristallstruktur. In einem Kristall sind die Atome, Atomgruppen, Ionen oder Moleküle in drei Dimensionen regelmäßig angeordnet. © IUCr

Dreidimensionales Bild einer Kristallstruktur. In einem Kristall sind die Atome, Atomgruppen, Ionen oder Moleküle in drei Dimensionen regelmäßig angeordnet. © IUCr