Diese Pressemitteilung ist verfügbar auf Englisch.
Kristalle sind Festkörper, deren mikroskopisch kleine Bausteine regelmäÃig in einer periodischen Struktur angeordnet sind. Viele der Eigenschaften, die Kristalle so nützlich machen, basieren auf der detaillierten und strukturierten Anordnung ihrer Bestandteile. Diese regelmäÃige Kristallstruktur wirkt sich wiederum in hohem MaÃe auf das Zusammenspiel der einzelnen Bausteine aus. In molekularen und atomaren Kristallen ist die Kraft zwischen den Bausteinen von Natur aus vorgegeben. Die einzige Möglichkeit die Kristallstruktur umzuwandeln besteht entweder darin, die äuÃeren Bedingungen (Temperatur, Druck, etc.) zu verändern, oder die Partikel selbst auszutauschen.
Im Gegensatz dazu ist es möglich, im Bereich der Physik der Weichen Materie, in dem die Bausteine um ein Vielfaches gröÃer und komplexer sind als Atome, Bausteine mit extrem anpassungsfähigen Eigenschaften zu konzipieren und anzufertigen. Darauf basierend haben Wissenschafter unter groÃem Aufwand an der Synthese von Kolloiden gearbeitet, die selbst organisiert hochsymmetrische Strukturen mit den technologisch relevanten Eigenschaften bilden. Als Beispiel gelten spezielle Kristallgitter, die interessante optische Eigenschaften aufweisen â die so genannten Photonischen Kristalle.
Ein Beispiel für einen natürlichen Photonischen Kristall ist der Opal, dessen faszinierendes Farbenspiel auf die Art zurückzuführen ist, wie das Licht mit den kleinen Strukturen der regelmäÃig angeordneten, kolloidalen Teilchen interagiert. Das farbenprächtige Schillern des Edelopals ist auf die Präsenz einer Vielzahl kleiner Kristalle, so genannter Kristallite, zurückzuführen, die sich mit unterschiedlicher Orientierung anordnen. "Zusätzlich ist die Anordnung in den kolloidalen Kristallen oft durch Polymorphologie gestört: Verschiedenste Strukturen sind durch vergleichbare thermodynamische Stabilität charakterisiert, die es erschweren eine bestimmte Form absichtlich zu erzeugen", erklärt Christos Likos von der Fakultät für Physik der Universität Wien.
Das daraus resultierende Fehlen der weitreichenden Anordnungen ist für viele Anwendungen von Nachteil. Entsprechend haben sich die Wissenschafter zur Aufgabe gemacht, Strategien zu entwickeln, die das Wachsen von groÃen, monokristallinen Exemplaren verbessern. Mittels Computersimulationen ist es nun gelungen eine neue Methode zu entwickeln, die es ermöglicht, technologisch relevante offene Kristalle zu bilden, die nicht polymorph sind. "Das System kristallisiert spontan in einer Mischung von Kristallen. Die Kolloide fügen sich dabei so zusammen, dass die konkurrierenden Strukturen unterschiedliche Hohlraumverteilungen aufweisen. Wir nutzen das aus, indem wir die GröÃe von zusätzlich hinzugefügten Polymeren so anpassen, dass diese einzig und allein mit der Leerraumsymmetrie des gewünschten Kristalls interagieren und sich gegen seine Konkurrenten stabilisieren", so Lise-Meitner-Stipendiat Lorenzo Rovigatti, Mitglied der Gruppe um Christos Likos.
Die Ergebnisse des Forschungsteams dienen nicht nur dazu, Alternativen zu bereits existierenden Ansätzen aufzuzeigen, sondern auch um in naher Zukunft die experimentelle Umsetzung von weitreichend geordneten offenen kolloidalen Kristallen zu ermöglichen.
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Publikation in ACS-Nano
Nathan A. Mahynski, Lorenzo Rovigatti, Christos N. Likos, and Athanassios Z. Panagiotopoulos
DOI 10.1021/acsnano.6b01854
Das Projekt wurde vom Ãsterreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) durch das Lise-Meitner Stipendium M 1650-N27 unterstützt.
Journal
ACS Nano