Kristallbildung bei Metallen gefilmt Kristallisation: Atom-Lego oder Teilchen-Chaos?

Kommen mehrere Eisenatome zusammen, so formen sie eine geordnete Kristallstruktur. Wie das im Detail abläuft, hat nun ein internationales Forscherteam mithilfe von Live-Aufnahmen der Kristallisation aufgeklärt. Damit lösten sie die Diskussion um zwei sich widersprechende Theorien zur Keimbildung von Kristallen.

Ulm – Kristalle kennt man aus der Küche in Form von Zucker und Kochsalz, oder aus dem winterlichen Vorgarten, der von Eiskristallen bedeckt ist. Und auch in Metallen sind die winzigen Atome regelmäßig in einem so genannten Kristallgitter angeordnet. 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.

Forschern 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. Damit betraten sie 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 Team um Kaiser hat nun belegt, welches Kristallbildungsmodell zutrifft.

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Kristallisation in Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Dass die Mikroskopie-Spezialisten quasi live beim Keimen eines Kristalls zusehen konnten, war zunächst ein Zufall. Für die ursprünglich geplante Untersuchung hatten die Mitstreiter aus Nottingham Eisenatome in so genannte Kohlenstoff-Nanoröhren eingebracht. Das sind mikroskopisch kleine Röhren, deren Wandung genau ein Kohlenstoffatom dick ist und die sozusagen als Nano-Reagenzgläser dienen, wie die Forscher erklären. 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, also praktisch in Echtzeit.

Wie die Kristallisation von einzelnen Atomen zu einem geordneten Kristallgitter im Detail abläuft, haben die Forscher in einer Art Film aufgenommen. Die TEM-Aufnahmen zeigen die Keimbildung von Eisen in einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen: vom individuellen Atom über die Phase amorpher Nanocluster bis hin zum geordneten Kristallisationskeim (TEM-Aufnahmen: Dr. Kecheng Cao / Uni Ulm):

Wie viele Atome braucht es zur Keimbildung?

Ausgelöst wurde die Keimbildung durch Energieübertragung des Elektronenstrahls des Mikroskops auf die Eisenatome. Und dabei offenbarte sich, 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 aktuellen Studie ist Postdoc in der Abteilung Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie an der Universität Ulm.

Legierungen sind der nächste Schritt

Die Wissenschaftler haben den Kristallisationsprozess haben auch in Tests mit Gold- und Rhenium-Atomen sowie weiteren Versuchen mit Eisen beobachtet und dabei immer ein ähnliches Verhalten gesehen. 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“, sagt die Ulmer Forscherin Kaiser.

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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 Welt der Atome.

Originalpublikation: 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), DOI: 10.1038/s41557-020-0538-9

* J. Eber, Universität Ulm, 89081 Ulm

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