Forscher finden neue Gesetze für natürliches Kristallwachstum

Konstanz (Deutschland) – Das Wachstum von Kristallen stellt die Wissenschaft noch immer vor viele Rätsel. Besonders dann, wenn Kristalle unregelmäßig von der ursprünglich symmetrischen Form wachsen. Neue Forschungsergebnisse zeigen  nun natürliche, aber dennoch nicht-klassische Varianten des Kristallwachstums auf. Die Forschungsergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen für grundlegende Fragen zum Kristallwachstum haben.

Wie die Forscher eines internationalen Verbundes von Wissenschaftlern unter Beteiligung der Universität Konstanz aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aaa6760) berichten, konnten sie auf Nano-Ebene nachweisen, dass die Natur eine Vielzahl an Varianten des Kristallwachstums abseits der klassischen Methode „ein-Atom-nach-dem-anderen“ kennt.

Jenseits der Edelsteine spielt das Kristallwachstum auch eine bedeutende Rolle für eine Vielzahl an Materialien und Anwendungen in allen Bereichen, vom biologischen Skelett und Muschelschalen über geologische Bodenschichten bis hin zur Halbleiter-Technologie. Über mehrere Fachrichtungen hinweg haben Wissenschaftler Phänomene des Kristallwachstums beobachtet – so zum Beispiel anhand des Skeletts von Tieren oder in Laborexperimenten -, die sich nicht durch klassische Theorien erklären lassen.

Die aktuelle Forschungsarbeit zeigt, „dass Kristalle in komplexen und unerwarteten Strukturen aufgebaut werden können, indem Nanoteilchen – wie zum Beispiel Nanokristalle, -cluster oder -tröpfchen – angefügt werden“, erläutert die Pressemitteilung der Universität Konstanz. „Der Prozess setzt bei der Ausformung dieser Teilchen ein. All diese Teilchen sind instabil und verbinden sich miteinander sowie mit nahegelegenen Kristallen und anderen Oberflächen. Diese Teilchenverbindungen können Strukturen annehmen, die den klassischen, facettierten Strukturen von Kristallen gleichen – sie können aber auch gänzlich unerwartete Anordnungen und ungewöhnliche Strukturen bilden. Beispielsweise tendieren Nanokristalle dazu, sich in gleichmäßiger Anordnung nach dem größeren Kristall auszurichten, bevor sie sich mit ihm verbinden. Andererseits können jedoch auch unregelmäßige, amorphe Teilchenaufschichtungen entstehen, die sich schlicht aufhäufen und sich später in ihrer Masse zu einem einheitlichen Kristall formen.“

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Die aktuellen Forschungsergebnisse erklären nun ungewöhnliche Mineralstrukturen in Gesteinsschichten und geben auch Aufschluss darüber, wie Kristalle im Tierreich zu Muschelschalen, Zähnen und Knochen ausgeformt werden. Darüber hinaus erschließt sich ein neues Bild, wie in Gewässern Schadstoffe in Mineralien eingeschlossen sein können, wie sie transportiert werden sowie in Sedimenten und im Boden abgelagert werden. „Dieses Wissen könnte eine wichtige Rolle in der Wasser- und Bodenaufbereitung spielen“, so die Forscher abschließend. „Nicht zuletzt eröffnen die Forschungsergebnisse neue Ansätze für die Entwicklung von künftigen High-Tech-Materialien wie beispielsweise bruchfestem Zement.

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