Die Entstehung eines Kristalls könnte deutlich weniger klar ablaufen als das seit Jahrzehnten in vielen Lehrbüchern beschriebene Szenario.
Ein Kristall ist ein Festkörper, dessen Atome eine regelmäßige Anordnung einnehmen. Die Kristallisation beginnt mit winzigen geordneten Bereichen, sogenannten Keimen, die anschließend wachsen können. Die klassische Theorie beschreibt diese Keime im Allgemeinen als kleine Kristalle, die durch eine relativ klare Grenze vom ungeordneten Material getrennt sind.
Beispiel für die atomare Struktur eines Kristalls namens "Zangenite".
Quelle: Shihao Zang/NYU
Um diesen Prozess direkt zu beobachten, untersuchten von der University of California in Los Angeles geleitete Forschende Nanopartikel aus Legierungen, die mehrere chemische Elemente enthalten. Sie setzten eine Mikroskopietechnik ein, mit der sich die Position der Atome in drei Dimensionen rekonstruieren lässt. Insgesamt bestimmte das Team die Struktur von 8.160 Kristallkeimen.
Das Ergebnis entspricht keiner einfachen Trennung zwischen einem kristallisierten und einem ungeordneten Bereich. Im Inneren eines Keims sind die Atome stark geordnet. Zum Rand hin nimmt diese Ordnung allmählich ab. Der Übergang ähnelt daher eher einer graduellen Zone als einer präzisen Grenze.
Diese Beobachtung verändert die Beschreibung der allerersten Phase der Kristallisation. Die Forschenden schlagen ein Modell vor, bei dem sich der Grad der Ordnung innerhalb des Keims selbst verändert. Die klassische Theorie bleibt somit in dem besonderen Fall gültig, in dem der Übergang sehr abrupt erfolgt.
Die Studie zeigt außerdem, dass die Anordnung der Atome von ihrer chemischen Beschaffenheit abhängt. Die untersuchten Legierungen enthalten mehrere miteinander vermischte Metalle. Die Art und Weise, wie sich bestimmte Elemente lokal gruppieren, geht daher mit dem Auftreten der kristallinen Ordnung einher. Struktur und Zusammensetzung entwickeln sich während dieser ersten Phase gemeinsam.
Die Keime wachsen nicht nur, indem sie Atome hinzufügen. Die meisten beobachteten Keime können auch mit benachbarten Keimen verschmelzen, deren Orientierung ähnlich ist. Eine Minderheit verbindet sich auf andere Weise und bildet besondere Bereiche im endgültigen Kristall, sogenannte Zwillinge. Diese Details können die Eigenschaften eines Materials beeinflussen.
Eine genauere Beschreibung dieser Entstehung kann konkret dabei helfen zu verstehen, wie die Herstellung die endgültige Struktur von Metallen und anderen Festkörpern verändert. Die hier untersuchten Legierungen gehören zu einer Familie, in der mehrere Elemente in bedeutenden Anteilen vorkommen. Einige werden wegen ihrer mechanischen Eigenschaften oder ihrer katalytischen Aktivität erforscht.
Nun muss noch festgestellt werden, wie weit sich dieses Modell verallgemeinern lässt. Die Autoren gehen davon aus, dass diese graduelle Beschreibung auf zahlreiche Materialien anwendbar sein könnte. Neue Beobachtungen an anderen Zusammensetzungen werden zeigen, ob derselbe allmähliche Übergang während der Kristallisation auftritt.