Amerikanische Wissenschaftler haben dem wohlbekannten Schmelzvorgang eines Kristalls seine inneren Geheimnisse entlockt: Der Studie nach beginnt ein Kristall zuerst in der Umgebung von Kristallbaufehlern zu schmelzen, und das sogar unterhalb der Schmelztemperatur des Festkörpers. Der für die Experimente benutzte künstliche Kristall könnte zudem als Modellsystem für weitere Studien in den Materialwissenschaften dienen.
Um die atomare Dynamik des Schmelzens eines Kristalls mithilfe von gewöhnlichen Lichtmikroskopen beobachten zu können, stellten Arjun Yodh und seine Kollegen zunächst einen künstlichen Kristall her, dessen “Atome” aus Kunststoffkugeln einer Größe von etwa einem Mikrometer bestanden. Dazu sättigten die Forscher eine Flüssigkeit mit einer großen Menge der Kügelchen ab, so dass diese einen Kristall bildeten.
Der Trick dieses Experiments bestand nun darin, dass die Größe der Kugeln von der Temperatur abhängig war ? ihr Durchmesser konnte durch Erwärmung verkleinert werden und umgekehrt. Auf diese Weise gelang es den Forschern, ihren Kristall zum Schmelzen zu bringen: Eine Verkleinerung der Kügelchen verringerte nämlich deren Volumenanteil innerhalb des Kristalls und leitete so unterhalb eines kritischen Werts das Schmelzen ein.
Die einzelnen Kügelchen ließen sich nun während der Erwärmung der Flüssigkeit mittels eines Mikroskops verfolgen. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass das Schmelzen ihres Kristalls zunächst in der Umgebung von Kristallbaufehlern begann. Benachbarte Atomebenen (in diesem Fall Kugelebenen) sind an derartigen Fehlstellen oft gegeneinander verschoben oder leicht verdreht.
Die Forscher glauben, dass ihr Kristall auch in vielen weiteren Experimenten in der Materialanalyse eingesetzt werden könnte. So ließen sich unter anderem Glasübergänge oder die Elastizität von Kristallen mittels des Kugelmodells auf das Atom genau untersuchen.
Arjun Yodh (University of Pennsylvania, Philadelphia) et al.: Science, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1126/science.1112399
Stefan Maier
