Manche kristallinen Festkörper sind vermutlich unordentlicher, als man ihnen bisher zugetraut hätte. Wissenschaftler der Kindai University in Japan sagen einen Quasikristall voraus, der Symmetrieeigenschaften aufweist, die Experten bisher ausschließlich von echten Kristallen kannten. Somit könnten manche Materialien, die Forscher als gewöhnliche Festkörper einstuften, in Wirklichkeit Quasikristalle sein.

Simulierter Quasikristall
© Dotera, T. et al.: Bronze-mean hexagonal quasicrystal. In: Nature materials, 10.1038/nmat4963, 2017, fig. 2c
(Ausschnitt)
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Quasikristalle nehmen eine besondere Position zwischen Ordnung und Unordnung ein. Dan Shechtman erhielt für die Entdeckung dieses ungewöhnlichen Materials 2011 den Nobelpreis für Chemie. Gewöhnliche Kristalle zeichnen sich durch eine regelmäßige, sich theoretisch bis ins Unendliche exakt wiederholende Gitterstruktur aus. Diese Strukturen besitzen eine zwei-, drei-, vier- oder sechszählige Symmetrie, da nur Elemente mit diesen Symmetrien lückenlos aneinandergeordnet werden können. Quasikristalle dagegen besitzen fünf- oder achtzählige Symmetrien – sie sind ebenfalls geordnet, aber wegen ihrer nicht zusammenpassenden Grundbausteine sind sie nicht exakt periodisch, sondern enthalten ein gewisses Maß an Unordnung. Der nun von Tomonari Dotera und seinen Kollegen vorhergesagte Quasikristall besitzt jedoch eine sechszählige Symmetrie und wäre anhand dieser Eigenschaft nicht mehr von einem gewöhnlichen Kristall zu unterscheiden.

Die japanischen Forscher wiesen durch eine Computersimulation nach, dass der Quasikristall durch einfache Wechselwirkungen entstehen kann und stabil ist. Damit könnte er in bestimmten Legierungen bereits existieren. Neben seiner sechsfachen Symmetrie wies er weitere Besonderheiten auf, die ihn von anderen bisher bekannten quasiperiodischen Strukturen unterschieden. Die berühmtesten zweidimensionalen Quasikristalle lassen sich durch Verbindung ihrer Gitterpunkte als Penrose- oder Ammann-Beenker-Parkettierungen darstellen – Anordnungen von Kacheln verschiedener Formen, die Muster mit fünf- oder achtzähliger Symmetrie ergeben.

Damit eine quasiperiodische Struktur entsteht, müssen die Längenverhältnisse der Kacheln bestimmten irrationalen Zahlen entsprechen. Bei der Penrose-Kachelung entspricht diese Zahl dem goldenen Schnitt und für die Ammann-Beenker-Parkettierung stimmt sie mit dem weniger bekannten silbernen Schnitt überein. Es existieren weitere so genannte metallische Schnitte, die immer irrationale Zahlen sind, – und einen davon nutzte das japanische Team für seine Entdeckung. In der bei "Nature Materials" erschienenen Untersuchung gelang es den Wissenschaftlern einen Quasikristall zu konstruieren, der den bronzenen Schnitt als Seitenverhältnis besitzt.

Kochsche Schneeflocke
© Wrtlprnft / public domain
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Die Wissenschaftler untersuchten eine mathematische Methode, um das quasiperiodische Muster des vorhergesagten Quasikristalls zu erzeugen und stießen dabei auf ein Fraktal. Sie projizierten dazu einen Ausschnitt eines höherdimensionalen periodischen Gitters auf eine Ebene – so wie ein dreidimensionaler Würfel einen ebenen Schatten wirft – und erhielten die quasiperiodische Kachelung. Im Fall der Penrose- und Ammann-Beenker-Parkettierungen entsprechen die Ausschnitte dieses höherdimensionalen Raums drei- beziehungsweise zweidimensionalen Vielecken. Der vorhergesagte Quasikristall ist da etwas komplizierter: Dessen Ausschnitt ist eine kochsche Schneeflocke – eine fraktale Struktur.