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Lexikon der Geowissenschaften: Kristall

Kristall, ein endlich ausgedehnter dreidimensionaler Teil einer aus Atomen aufgebauten Kristallstruktur, im Gegensatz zu Gasen und Flüssigkeiten, bei denen atomare Teilchen den Raum ohne gegenseitige Ordnung ausfüllen ( Abb. ). Nach einer häufig anzutreffenden Definition ist ein Kristall ein Festkörper mit einer dreifach periodischen Anordnung der Atome, doch ist Periodizität, also Invarianz gegenüber Translationen (Verschiebungen) nur mit einer unendlich ausgedehnten Struktur vereinbar. Das Wort "Kristall" leitet sich ab von krystallos, welches im antiken Griechenland zunächst zur Bezeichnung von Eis diente. Später, etwa um Platons Zeitalter, wurde auch der Bergkristall so genannt, von dem man der Ansicht war, er bestünde aus dauerhaft verfestigtem Eis. Bei ungestörtem Wachstum nehmen Kristalle i.d.R. die Gestalt von konvexen Polyedern an. Diese regelmäßige Gestalt mit ihren ebenen Flächen bildete die Grundlage älterer Definitionen des Begriffes "Kristall". In konvexen Polyedern kristallisieren auch die seit 1984 bekannt gewordenen Quasikristalle. Kristalle sind makroskopisch homogene und anisotrope Körper. Homogenität bedeutet, daß die physikalischen Eigenschaften eines Kristalls in allen seinen Teilen gleich sind. Das gilt für makroskopisch meßbare Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität, elektrische Leitfähigkeit usw., nicht für Eigenschaften, die im atomaren Maßstab gemessen werden wie etwa die Elektronendichte in der Umgebung eines Atoms. Unter Anisotropie versteht man die Richtungsabhängigkeit physikalischer Eigenschaften. Jeder Kristall, auch ein kubischer Kristall, ist anisotrop im Hinblick auf gewisse seiner Eigenschaften wie zum Beispiel Elastitizät, Form, Farbe, Härte, Spaltbarkeit oder Wärmeleitfähigkeit. Gase, Flüssigkeiten, Gläser und amorphe Minerale verhalten sich dagegen richtungsunabhängig = isotrop. Homogenität und Anisotropie sind nicht auf Kristalle beschränkt. Homogen sind auch Gläser, und Anisotropie ist ein wichtiges Merkmal der sogenannten flüssigen Kristalle. Essind Flüssigkeiten mit ein- oder zweidimensionalen periodischen Molekülanordnungen, die zwischen den isotropen Flüssigkeiten und den anisotropen Festkörpern eine Art Übergangsphase bilden und daher auch als Mesophasebezeichnet werden. Ein für die Praxis bedeutsames Merkmal eines Kristalls ist seine Eigenschaft, als Beugungsgitter für Röntgenstrahlen zu wirken und auf einem Film oder anderem Detektor scharfe Reflexe zu liefern. Hierdurch ist eine einfache Unterscheidung zwischen kristallinen und nicht kristallinen Substanzen möglich. Bei manchen Substanzklassen gibt es auch Zwischenstufen, so daß man über die Breite der Beugungsreflexe verschiedene Grade von Kristallinität unterscheiden kann. Es ist bemerkenswert, daß auch Quasikristalle scharfe Reflexe liefern, die dann spezielle nicht kristallographische Symmetrien zeigen. Fast alle festen Stoffe sind kristallin. Speziell unter den Mineralen gibt es nur ganz wenige nicht kristalline Vertreter, wie z.B. den Lechatelierit. Zu den biogenen kristallinen Substanzen zählen die anorganischen Bestandteile der Knochen und Zähne sowie Harnsteine und Gallensteine. Auch zahlreiche Eiweißstoffe und Viren lassen sich kristallisieren. Von den vielen kristallinen Substanzen, die für technische und andere Zwecke hergestellt werden, seien nur erwähnt Quarzkristalle (für die Produktion von Schwingquarzen), Diamanten (für die Bohrtechnik), Silicium (für elektronische Bauelemente), Rubine (für Laser), diverse Edelsteine (für Schmuckzwecke), Pigmente (für Farben und Lacke) und Metalle sowie keramische Werkstoffe inklusive Glaskeramik. Kristalle können sehr unterschiedliche Größe haben. So kann Wasser in seinem festen Aggregatzustand sowohl große Eisblöcke als auch kleine Schneeflocken bilden. Ähnliches gilt für Quarz, dessen große, in alpinen Klüften gewachsenen Kristalle zu den bekanntesten Mineralen zählen und bei dem Aggregate von kleineren Kristallen das Gestein Quarzit aufbauen, winzige Kristalle den Quarzsand bilden. Kristalle können zwar beliebig groß, aber nicht beliebig klein sein. Mit zunehmender Unterschreitung einer bestimmten Größe weichen die Eigenschaften des Festkörpers mehr und mehr von denen eines Kristalls ab, wobei die Grenze für diese Veränderung von den zu messenden Eigenschaften selbst abhängig ist. Bei der Röntgenbeugung z.B. tritt eine merkliche Verbreiterung der Reflexe dann ein, wenn eine Kantenlänge von ca. 100 nm (10-4 mm) unterschritten wird.


Kristall: a) atomare Anordnung und Anisotropie bei Kristallen und b) Mesophasen bzw. flüssigen Kristallen, c) Isotropie bei Flüssigkeiten, Gläsern und d) Gasen. Kristall:

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