Kennst du deinen Nachbarn? – Der schnelle Weg zur Kristallisation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen zeigen ein neues Verfahren zur Herstellung künstlicher Opale – Komplexe Materialen können sich selbst zusammenbauen.

Ein Sandhaufen formt sich selbst anders als ein Berg von Orangen. Es scheint offensichtlich: wenn alle Körnchen unterschiedliche und einmalige Größen haben, können sie sich nicht wie ein Kristall zu einer regelmäßigen Struktur zusammenfügen. Für viele Anwendungen werden Stapel oder Haufen dadurch wertlos. Somit kann man mit Hilfe der Nanotechnologie schillernde Schmetterlingsflügel oder das feurige Leuchten eines Opals nachbilden. Bisher werden dafür jedoch präzise hergestellte Zutaten benötigt: kleine Teilchen von der Größe der Wellenlänge des Lichtes, die alle exakt gleich groß sein müssen.

 Laissez faire Ansatz für den faulen Physiker oder Chemiker 

In ihrer neuen wissenschaftlichen Veröffentlichung präsentieren die Wissenschaftler, u.a. Lucas Goehring vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und seine Kollegen in Frankreich eine laissez faire Alternative für faule Physiker oder Chemiker. Sie zeigen, beginnend mit einem Gemisch von Nanopartikeln sehr verschiedener Größen, wie kolloide Kristalle wachsen können, die von allen Teilchen immer nur die der richtigen Größe aussuchen und den Rest abstoßen. Die Teilchen organisieren sich quasi selbst. Denn wirken sie richtig zusammen, können die Teilchen ihre Nachbarn spüren und dabei mobil bleiben. Dann zeigen sie, wie komplexe Kristalle die verschiedenen Teilchen auswählen, um sich selber aufzubauen.

Neue Materialien möglich

Die neuen Erkenntnisse öffnen die Türen zur Herstellung einer großen Bandbreite neuer Materialien mit optischen Eigenschaften, die aus preiswerten, industriell hergestellten Rohmaterialien bestehen. Das Verfahren löst auch ein lange bekanntes Problem, dass diese Materialien zwar vorhergesagt, bisher aber nicht beobachtet wurden. Nicht zuletzt kann gezeigt werden, wie richtige Opale durch natürliche Selbstanordnung aus einer „Suppe“ von Teilchen wachsen, die typischerweise in einer chaotischen geologischen Umgebung verfügbar ist.