Multitalent Kristall im Rampenlicht

98 Prozent der festen Materie unseres Planeten bestehen aus Kristallen, doch ist die häufigste Erscheinungsform von Festkörpern in der öffentlichen Wahrnehmung kaum präsent. Ein von der UNO initiiertes Jahr der Kristallographie soll dieser „Vernachlässigung“ ein Ende bereiten. Der Innsbrucker Mineraloge Volker Kahlenberg ist einer der Koordinatoren der Aktivitäten in Österreich.
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Bild: 2014 steht ganz im Zeichen des Kristalls, der auch an der Universität Innsbruck in vielen Forschungsarbeiten eine wichtige Rolle spielt. (Bild: International Union of Crystallography (IUCr))

Dass ausgerechnet das Jahr 2014 zum internationalen Jahr der Kristallographie ernannt wurde, ist kein Zufall: Vor genau 100 Jahren erhielt Max von Laue einen Physik-Nobelpreis für seine Entdeckung, dass Röntgenstrahlen an Kristallen gebeugt werden können. Die daraus resultierenden Beugungsmuster ermöglichen Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome in festen Körpern und damit auch auf deren Kristallstruktur. Die wichtigste Eigenschaft dieser Struktur ist die sogenannte Fernordnung. „Bei den allermeisten Kristallen wird diese Fernordnung einfach dadurch realisiert, dass die Atome periodisch im dreidimensionalen Raum angeordnet sind“, erklärt Prof. Kahlenberg, Leiter der Arbeitsgruppe für angewandte Mineralogie und Kristallographie am Institut für Mineralogie und Petrographie der Uni Innsbruck. Fernordnung ist ein Charakteristikum der Kristalle und unterscheidet sie von anderen festen Materialien wie etwa Gläsern.

Allgegenwärtige Kristalle 

„Viele Menschen assoziieren mit Kristallen in erster Linie natürliche Edelsteine – eine besonders spektakuläre Erscheinungsform der Kristalle“, so Kahlenberg. „Man muss aber bedenken, dass die überwiegende Zahl aller Gesteine unseres Planeten aus Kristallen besteht, aber nicht immer sind sie mit freiem Auge sichtbar.“ Auch in der Industrie spielen kristalline Verbindungen eine wichtige Rolle: Keramische Werkstoffe wie z.B. Porzellan, Zemente, viele pharmazeutische Produkte, Silizium für die Mikrochips sowie Stähle und andere wichtige Legierungen bestehen aus Kristallen. Ferner können hoch komplexe organische Moleküle wie Proteine und sogar Viren zur Aufklärung ihrer Struktur kristallisiert werden. Darüber hinaus sind viele Gebrauchsgüter des täglichen Lebens wie Kochsalz oder Zucker kristallin. Im menschlichen Körper spielen Kristalle ebenso eine zentrale Rolle: „Wesentliche Komponenten unseres Skelettes - nämlich Zähne und Knochen - bestehen aus kleinen miteinander verwachsenen Kristallen“, erklärt Kahlenberg. Da die kristalline Zusammensetzung von Materialien so allgegenwärtig ist, ist es nicht weiter verwunderlich, dass Kristallographie in Forschung und Entwicklung eine wichtige Rolle spielt: „Kristallographie ist stark interdisziplinär und unterstützt wichtige Bereiche in Wissenschaft und Technik“, sagt Kahlenberg.

Innsbrucker Forschungsschwerpunkte

Kristalle stehen auch an der Uni Innsbruck im Fokus der Forschungsarbeiten verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen wie Chemie, Pharmazie, Molekularbiologie oder Physik. Die Arbeitsgruppe für angewandte Mineralogie und Kristallographie betreibt nicht nur Grundlagenforschung, sondern arbeitet auch an konkreten Fragestellungen bzw. Forschungszielen in Kooperation mit Unternehmen wie Sandoz, Tyrolit, Steka und Swarowski. „Hier geht es insbesondere um die Entwicklung und Charakterisierung von neuen oder die Adaptierung von bereits bestehenden Werkstoffen, die die spezifischen Produktvorgaben der Unternehmen erfüllen sollen“, so Kahlenberg.
In der Grundlagenforschung widmen sich die Innsbrucker Forscherinnen und Forscher vor allem den Aspekten Druck und Temperatur. „Uns interessiert, was mit einzelnen Kristallen oder auch polykristallinen Verbindungen geschieht, wenn sie sehr hohen oder tiefen Temperaturen ausgesetzt werden“, schildert Kahlenberg. Er betont die Wichtigkeit dieser Untersuchungen besonders für die Beschreibung des Verhaltens von keramischen Werkstoffen, Bindemitteln oder Schlacken – Materialklassen, für die kristallographische Hochtemperaturmessungen bis zu 1500 °C unabdingbar sind.
Das Verhalten von Kristallen unter großem Druck ist eine weitere wichtige Forschungsfrage der Arbeitsgruppe. Mithilfe einer so genannten Diamantstempelzelle können Kristalle Drucken ausgesetzt werden, wie sie im Zentrum unserer Erde vorherrschen. „Vereinfacht gesagt werden die Kristalle in einer Flüssigkeit, die den Druck von allen Seiten überträgt, zwischen zwei Diamanten eingeklemmt“, erklärt Dr. Clivia Hejny die Funktionsweise ihres wichtigsten Forschungsgerätes. Die Wissenschaftlerin, die sich in ihrer Arbeit der Hochdruckkristallographie verschrieben hat, kann dank dieser Diamantstempelzelle Druckverhältnisse aus dem Erdinneren simulieren. „Wenn man bedenkt, dass die tiefste bislang realisierte Bohrung eine Tiefe von 12 Kilometer erreicht hat, der Erdradius aber 6370 Kilometer beträgt, erhalten wir durch diese Vorgehensweise wichtige Informationen aus dem Inneren unserer Erde, die es ohne diese Experimente nicht gäbe“, so Hejny. So können zum Beispiel direkt in-situ gemessene Dichten von Kristallen, die in der Diamantstempelzelle unter Druck stehen, mit der Geschwindigkeit von Erdbebenwellen in Bezug gebracht werden.

Aktivitäten in Österreich 

„In der Erkenntnis, dass unser Verständnis der materiellen Beschaffenheit der Welt vor allem auf unseren Kenntnissen der Kristallographie gründet“, erklärte die Generalversammlung der Vereinten Nationen 2014 zum Internationalen Jahr der Kristallographie. „Wenn man bedenkt, dass Kristalle quasi als fundamentale Bausteine von beinahe allen uns umgebenden Materialien angesehen werden können, wurde ihnen bisher viel zu wenig Aufmerksamkeit zuteil“, ist Kahlenberg überzeugt. Der Mineraloge koordiniert gemeinsam mit Prof. Ronald Miletich-Pawliczek vom Institut für Mineralogie und Kristallographie der Universität Wien die Aktivitäten zum Internationalen Jahr der Kristallographie in Österreich.
Den Forschern ist es ein Anliegen, die gesamtgesellschaftliche Relevanz der Kristallographie einer breiten Öffentlichkeit näher zu bringen. „Wir wollen besonders junge Menschen ansprechen und zwar auch außerhalb der größeren österreichischen Städte.“ Im Moment ist eine Informationsbroschüre über Kristallographie in Österreich in Arbeit, die an Schulen Verwendung finden sollte – nicht zuletzt da auch im Schulunterricht der Kristallographie kein großer Spielraum eingeräumt werde, wie Kahlenberg betont. Im Rahmen der Langen Nacht der Forschung am 4. April 2014 werden Themen aus dem Umfeld der Kristallographie österreichweit vertreten sein. In Innsbruck beispielsweise wird unter dem Titel „Welche Bedeutung haben Kristalle für unseren Alltag – ein Einblick in faszinierende Welten“ auch das erst kürzlich entdeckte Mineral Innsbruckit einem breiteren Publikum vorgestellt werden. Darüber hinaus ist – sofern es die finanziellen Mittel zulassen – eine Wanderausstellung durch ganz Österreich geplant, die die Kristallographie auch außerhalb der städtischen Zentren für die Bevölkerung erfahrbar machen soll. 

Über die Aktivitäten im Rahmen des Internationalen Jahres des Kristallographie sowie über weitere Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit Kristallographie an der Universität Innsbruck werden wir an dieser Stelle im Laufe des Jahres 2014 noch weiter berichten.