Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Ulm haben in Echtzeit das Keimen einer Kristallstruktur beobachtet. Sie wurden Zeugen, wie sich Eisenatome unter dem Einfluss eines Elektronenstrahls zunächst ungeordnet zusammenschlossen, bevor sie sich zu einer regelmäßigen Gitterstruktur formierten. Für diesen Vorgang gab es bislang lediglich zwei sich widersprechende Theorien.
Haushaltszucker besteht aus Kristallen, Kochsalz ebenso, und im Winter fallen Eiskristalle als Schnee vom Himmel. Auch in unseren Metallen sind die winzigen Atome regelmäßig in einem sogenannten Kristallgitter angeordnet. Die Metalle und ihr Verhalten unter wechselnden Einflüssen sind zwar recht gut erforscht, allerdings war bislang nicht belegt, wie die Keimbildung von Kristallen abläuft: wie also einzelne Atome beginnen, sich zu einer dreidimensionalen Gitterstruktur zu formieren. Forschenden der Arbeitsgruppe Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie der Universität Ulm ist es in Kooperation mit Kollegen aus England und Japan nun gelungen, genau diese „Geburtsstunde“ eines Kristalls zu beobachten. Veröffentlicht wurden diese einzigartigen Beobachtungen in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry.
Damit betraten die Forscherinnen und Forscher Neuland. „In der Standardliteratur gab es bislang zwei Modelle, wie das Keimen eines Kristalls ablaufen könnte. Eines ging davon aus, dass sich Atome, ähnlich wie Legosteine, einer nach dem anderen aneinandersetzen und so das Kristallgitter bilden. Das zweite Modell nahm an, es könnte eine ungeordnete Zwischenphase geben, aus der heraus sich der Kristall bildet“ erklärt Professorin Ute Kaiser, Leiterin der Materialwissenschaftlichen Elektronenmikroskopie an der Uni Ulm. Das Forschungsteam um Kaiser konnte nun mit seiner Arbeit belegen, welches Kristallbildungsmodell zutrifft.
Dass die Mikroskopie-Spezialisten „live“ beim Keimen eines Kristalls zusehen konnten, war zunächst ein Zufall. Für die ursprünglich geplante Untersuchung hatten die Mitstreiter aus Nottingham Eisenatome in sogenannte Kohlenstoff-Nanoröhren eingebracht. „Das sind mikroskopisch kleine Röhren, deren Wandung genau ein Kohlenstoffatom dick ist und die sozusagen als Nano-Reagenzgläser dienen“, erläutert Professor Andrei Khlobystov, Projektleiter des Nottinghamer Teams. Beim Blick durch das bildfehlerkorrigierte Elektronenmikroskop TITAN wurden die Ulmer Wissenschaftler dabei Zeuge, wie sich die einzelnen Eisenatome zusammenballten — bei einer Auflösung von einem Bild pro Sekunde praktisch in Echtzeit.
Ausgelöst wurde die Keimbildung durch Energieübertragung des Elektronenstrahls des Mikroskops auf die Eisenatome. Und dabei offenbarte sich schließlich, dass zunächst einige wenige Eisenatome eine amorphe Phase bildeten, also eine flüssigkeitsähnliche Häufung von Atomen ohne innere Struktur. „Wir haben herausgefunden, dass die Atome erst oberhalb einer kritischen Anzahl zwischen 10 und 20 beginnen, sich zu einer regelmäßigen Gitterstruktur zu ordnen. Damit konnten wir den Beweis erbringen, dass die Keimbildung von Kristallen auf einem zweistufigen Nukleationsmechanismus basiert“, beschreibt Dr. Kecheng Cao seine Entdeckung einer Übergangsphase bei der Bildung metallischer Kristallstrukturen. Der Erstautor der Nature Chemistry-Studie ist Postdoc in der Abteilung Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm. Die Versuche, die zum Forschungserfolg führten, waren Bestandteil von Dr. Caos Promotion an diesem Institut.
„In weiteren Untersuchungen mit Eisen-, Gold- und Rhenium-Atomen haben wir diesen Prozess gezielt beobachtet und dabei immer ein ähnliches Verhalten gesehen“, berichtet Dr. Johannes Biskupek, der ebenfalls zur Gruppe von Professorin Ute Kaiser gehört. Beteiligt an dem Projekt waren zudem Forschende der Universitäten Nottingham und Leeds (Großbritannien) sowie des National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Japan).
Und wie geht es nun weiter? „Einen Schlusspunkt für unsere Forschung bedeutet diese bahnbrechende Beobachtung aber nicht. Denn bei anderen Materialien könnte es abweichende Abläufe geben. Wir wollen daher auch komplexere Materialien wie beispielsweise Metalllegierungen auf ihr Kristallisationsverhalten untersuchen“, so Professorin Kaiser. Zum Einsatz kommt dabei das neue Super-Mikroskop SALVE. Das an der Universität Ulm entwickelte und inzwischen fertiggestellte, zweifach bildfehlerkorrigierte Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop gehört weltweit zu den leistungsfähigsten Geräten seiner Art. Es hat eine um den Faktor drei höhere Auflösung als derzeitige einfach-korrigierte TEM und erlaubt noch viel tiefere Einblicke in die erstaunliche Welt der Atome.
Text: Jens Eber
Literaturhinweis:
Kecheng Cao, Johannes Biskupek, Craig T. Stoppiello, Robert L. McSweeney, Thomas W. Chamberlain, Zheng Liu, Kazu Suenaga, Stephen T. Skowron, Elena Besley, Andrei N. Khlobystov & Ute Kaiser. Atomic Mechanism of Metal Crystal Nucleus Formation in a Single-Walled Carbon Nanotube. Nature Chemistry (2020), https://doi.org/10.1038/s41557-020-0538-9