Quasikristalle

Quasikristalle sind Festkörper, die eine langreichende Ordnung besitzen, ohne dass sich daraus eine regelmäßige, dreidimensionale periodische Raumstruktur ableiten lässt. Ihr Beugungsmuster zeigt diskrete Bragg-Peaks wie bei Kristallen, doch die Struktur ist nicht periodisch. Dadurch können Quasikristalle Rotationssymmetrien ermöglichen, die in periodischen Kristallen verboten sind, etwa fünf- oder zehnfache Symmetrien.

Historie und Begriff: Die erste Identifizierung erfolgte 1982 durch Dan Shechtman in einer schnell erstarrten Aluminium-Mangan-Legierung. Die Entdeckung stieß zunächst auf Skepsis. Der Begriff Quasikristall wurde in den folgenden Jahren von Steinhardt und Levine eingeführt. 2011 erhielt Shechtman den Nobelpreis in Chemie für seine Pionierarbeit.

Struktur und Theorie: Quasikristalle gehören zur Klasse der aperiodischen, geordneten Materialien. Ihre Ordnung lässt sich oft durch Projektion eines höherdimensionalen, periodischen Gitters (Cut-and-Project) erklären. Prominente Quasicrystal-Familien umfassen ikosaedrische, dekagonale und dodekagonale Typen, die in verschiedenen Metalllegierungen auftreten, z.B. Al-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Pd-Mn, Zn-Mg-RE und Ti-Zr-Ni.

Eigenschaften und Anwendungen: Im Beugungsbild zeigen sich scharfe Bragg-Peaks trotz Nicht-Periodizität. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften sind stark systemabhängig: Quasicrystals weisen oft hohe Härte und geringe Wärmeleitfähigkeit auf; manche zeigen eine geringe Reibung und werden als Verschleißschutzschichten verwendet. Forschungsthemen umfassen elektrische, thermische und katalytische Eigenschaften sowie potenzielle Anwendungen als Diffusionsbarrieren oder Schutzbeschichtungen.

Natürliche Quasikristalle: In naturwissenschaftlichen Proben wurden seit 2009 auch natürliche Quasikristalle nachgewiesen, etwa in meteoritischen Materialien, was die Relevanz der Quasikristallordnung in der Natur demonstriert.