Quasicristalle: Was sind sie und wie revolutionieren sie die Materialwissenschaften?

In der Welt der Materialien gibt es immer wieder faszinierende Entdeckungen, die unsere Vorstellungskraft sprengen. Eine dieser bahnbrechenden Erkenntnisse ist das Phänomen der Quasikristalle. Lange Zeit galten Kristallstrukturen als die einzig mögliche Anordnung von Atomen in festen Stoffen: regelmäßige, periodische Muster, die wir auch aus Alltagsobjekten wie Salz oder Diamanten kennen. Doch im Jahr 1982 stieß der Physiker Dan Shechtman auf etwas Unerwartetem – ein Material mit einer nicht-periodischen Atomordnung, welches dennoch eine langreichweitige Ordnung aufwies. Diese Entdeckung löste einen Sturm in der wissenschaftlichen Welt aus und eröffnete ein völlig neues Kapitel in der Materialwissenschaft: die Ära der Quasikristalle.

Quasikristalle zeichnen sich durch ihre einzigartige Struktur aus:

• Nicht-periodische Anordnung: Im Gegensatz zu herkömmlichen Kristallen, deren Atome in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind, weisen Quasikristalle eine nicht-periodische Atomstruktur auf. Diese unkonventionelle Anordnung entsteht durch die Kombination von mehreren unterschiedlichen periodischen Strukturen.
• Langreichweitige Ordnung: Trotz ihrer nicht-periodischen Natur weisen Quasikristalle eine langreichweitige Ordnung auf, d. h. die atomare Struktur wiederholt sich in einem bestimmten Muster über große Distanzen. Dies unterscheidet sie von amorphen Materialien wie Glas, welche keine erkennbare Ordnung aufweisen.

Die faszinierende Struktur der Quasikristalle verleiht ihnen außergewöhnliche Eigenschaften:

• Mechanische Festigkeit: Quasikristalle sind extrem hart und widerstandsfähig gegenüber Verformungen.
• Niedrige Reibung: Die glatte Oberfläche von Quasikristallen führt zu einer sehr geringen Reibung.
• Gute Wärmeleitfähigkeit: Quasikristalle leiten Wärme sehr gut, was sie für Anwendungen in der Elektronik interessant macht.

Herstellung von Quasikristallen: Ein komplexer Prozess

Die Herstellung von Quasikristallen ist ein komplexer Prozess, der meist durch Abkühlung geschmolzener Metalle unter bestimmten Bedingungen erfolgt.

Verfahren	Beschreibung
Schnell-Abkühlen	Das geschmolzene Metall wird extrem schnell abgekühlt, um die Bildung einer kristallinen Struktur zu verhindern und so Quasikristalle zu erzeugen.
Dampfphasenabscheidung	Metalle werden in Gasform verdampft und anschließend auf einem Substrat abgeschieden. Durch die kontrollierte Abscheidung lassen sich Quasikristallstrukturen herstellen.

Anwendungen von Quasikristallen: Ein Blick in die Zukunft

Die einzigartigen Eigenschaften von Quasikristallen eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen:

• Werkzeugbeschichtungen: Die hohe Härte und geringe Reibung von Quasikristallen machen sie ideal für die Beschichtung von Werkzeugen, um deren Lebensdauer zu verlängern.

• Elektronische Bauteile: Die gute Wärmeleitfähigkeit von Quasikristallen könnte in Zukunft in elektronischen Bauteilen wie Prozessoren und LEDs eingesetzt werden.

• Biomedizinische Anwendungen: Quasikristalle könnten als biokompatible Materialien für Implantate oder Prothesen verwendet werden.

• Nanotechnologie: Die gezielte Herstellung von Quasikristall-Nanopartikeln eröffnet neue Möglichkeiten in der Nanotechnologie, beispielsweise für die Entwicklung neuer Katalysatoren oder Sensoren.

Quasikristalle: Ein Forschungsfeld mit großem Potenzial

Die Entdeckung der Quasikristalle hat die Materialwissenschaft revolutioniert und ein neues Kapitel in der Forschung eröffnet. Die komplexen Eigenschaften dieser Materialien bieten enorme Möglichkeiten für die Entwicklung innovativer Anwendungen in verschiedenen Bereichen.

Obwohl die Herstellung von Quasikristallen noch immer eine Herausforderung darstellt, arbeiten Wissenschaftler weltweit intensiv an der Optimierung von Verfahren zur effizienten Produktion. Mit fortschreitender Forschung und technologischer Entwicklung werden Quasikristalle

wahrscheinlich eine entscheidende Rolle in der Zukunft spielen – als Werkstoffe für neue Technologien und als Schlüssel zu einer nachhaltigeren Welt.