Quasi-Kristalle bilden sich in vibrierenden grossen Körnern

Quasikristalle sind einzigartige Strukturen, die nicht den traditionellen, sich wiederholenden Mustern in normalen Kristallen folgen. Sie wurden vor etwa dreissig Jahren in einer metallischen Legierung entdeckt und haben unser Verständnis von Kristallstrukturen verändert. Diese Strukturen wurden in verschiedenen Materialien sowohl im kleinen als auch im grösseren Massstab gefunden, von nanoskaligen Partikeln bis hin zu mikrometergrossen Objekten. Neuere Experimente haben gezeigt, dass quasikristalline Formationen auch in grösseren Settings auftreten können, speziell in einer Anordnung, bei der makroskopische, kugelförmige Körner auf einer flachen Oberfläche vibriert werden.

Die Studie begann mit einem System von kugelförmigen Körnern, die anfangs in einem ungeordneten, flüssigkeitsähnlichen Zustand waren. Als die Körner vibrierten, begannen sie, sich in bestimmte Formen zu organisieren. Die Körner bildeten zwei Arten von Anordnungen: quadratische und dreieckige Fliesen. Im Laufe der Zeit richteten sich diese Fliesen so aus, dass sie eine Struktur bildeten, die eine achtfache Symmetrie aufweist – ein Muster, das nur in Computermodellen vorhergesagt, aber noch nie in echten Materialien gesehen wurde. Diese Entdeckung ist bedeutend, weil sie neue Wege eröffnet, um zu verstehen, wie solche Strukturen spontan entstehen können.

Die Reise in die Welt der Quasikristalle begann 1982, als ein Wissenschaftler namens Shechtman ungewöhnliche Muster in einer Legierung entdeckte. Diese Muster, bekannt als Bragg-Peaks, hatten eine Symmetrie, die laut traditioneller Kristallographie nicht existieren sollte. Zunächst stiess diese Idee auf Skepsis, da sie die etablierte Ansicht herausforderte, dass Kristalle eine regelmässige, sich wiederholende Einheit haben müssen. Im Laufe der Jahre wuchs diese Idee jedoch und führte zur Anerkennung von Quasikristallen, die Ordnung zeigen können, ohne eine wiederholende Struktur zu haben.

Seitdem haben Wissenschaftler quasikristalline Muster in verschiedenen künstlichen Materialien und sogar in natürlich vorkommenden Mineralien beobachtet. In den letzten Jahren haben Forscher begonnen, nach diesen Mustern in weichen Materiesystemen wie Polymeren und Nanopartikeln zu suchen. Diese Forschungsrichtung wirft zwei wichtige Fragen auf: Wie gross können diese quasikristallinen Strukturen werden und welche Zutaten sind notwendig für ihre Bildung?

Frühere Studien haben gezeigt, dass Quasikristalle in verschiedenen Massstäben selbstorganisieren können, abhängig von der Natur der beteiligten Materialien. Die grössten bisher gefundenen Quasikristalle bestehen aus mikrometergrossen Strukturen. Die zweite Frage ist komplexer und wurde mithilfe von Computersimulationen untersucht. Grundmodelle von interagierenden Partikeln wurden verwendet, um zu erkunden, wie quasikristalline Ordnung aus unterschiedlichen Kräften entsteht, egal ob diese anziehend oder abstossend sind.

Interessanterweise haben Simulationen gezeigt, dass eine einfache Mischung aus verschiedenen scheibenförmigen Partikeln unter den richtigen Bedingungen zur Bildung von Quasikristallen führen kann. Das deutet darauf hin, dass Ordnung in diesen Systemen durch ihre Anordnung entstehen kann und nicht nur durch thermische Bewegung. Allerdings blieb das Studium solcher Phänomene in granularen Materialien, wo Partikel ständig in Bewegung sind und Energie durch Reibung verloren geht, bis jetzt weitgehend unerforscht.

Um diese Ideen weiter zu untersuchen, wandten sich die Forscher granularen Materialien zu. Diese Materialien bieten einen reichen Boden zur Beobachtung von Nichtgleichgewichtsphänomenen, da ihr Verhalten sich dramatisch basierend auf äusseren Kräften ändern kann. Wenn Körner eingegrenzt und vibriert werden, können sie wie eine Flüssigkeit oder ein Festkörper agieren und verschiedene Übergänge erleben. Trotz dieses Potenzials wurde die spontane Bildung von Quasikristallen in diesen Systemen bisher in Experimenten oder Simulationen nicht dokumentiert.

In einer aktuellen Studie berichteten Forscher über experimentelle und computergestützte Beobachtungen von quasikristalliner Ordnung in einer Mischung aus millimetergrossen, kugelförmigen Körnern, die vibriert wurden. Sie fanden heraus, dass selbst in diesem grösseren Massstab, wo thermische Bewegung weniger ein Problem darstellt, Quasikristalle immer noch durch einen selbstorganisierenden Prozess entstehen können. Das System arbeitet ausserhalb des Gleichgewichts aufgrund von Reibung und externen Antriebskräften, die auf die Körner angewendet werden.

In ihren Experimenten verwendete das Team eine spezielle Anordnung mit stählernen kugelförmigen Körnern, die in einem fast zweidimensionalen Raum eingegrenzt waren und mit einem Schüttler vibriert wurden. Während sich die Körner bewegten, wurden sie gefilmt, um ihre Positionen über die Zeit hinweg zu verfolgen. Die Forscher wählten Körnergrössen und Bedingungen, die den in Computersimulationen verwendeten nahe kamen, um einen effektiven Vergleich zu ermöglichen.

Die Ergebnisse der Experimente zeigten, dass die Körner bei entsprechender Vibration spontan einen achtfachen Quasikristall bildeten. Während eines sieben Tage dauernden Experiments beobachteten die Forscher den Prozess der Fliesenbildung und die Anordnung der Fliesen zu grösseren Strukturen. Während die einzelnen Fliesen aufgrund effizienter Packung schnell gebildet wurden, dauerte es deutlich länger, eine global organisierte Anordnung zu erreichen, was die Komplexität des Selbstorganisationsprozesses hervorhebt.

Die Forscher beobachteten, dass verschiedene Arten von Fliesen, einschliesslich falsch ausgerichteter, im Laufe der Zeit in der Anzahl variierten. Ausgerichtete Fliesen nahmen zunächst zu, stabilisierten sich aber schliesslich, während falsch ausgerichtete Fliesen mehr Schwankungen zeigten. Die Studie stellte auch fest, dass die endgültige Struktur des Quasikristalls von den Rändern zum Zentrum wuchs, was auf eine schrittweise Entwicklung und nicht auf eine sofortige Bildung hinweist.

Ein interessanter Aspekt der Ergebnisse ist die Bindungsorientierung der Fliesen. Die Orientierung war nicht einheitlich, sondern entlang acht Hauptrichtungen ausgerichtet, was auf eine starke zugrunde liegende Ordnung hindeutet. Die Anwesenheit von starren Behälterwänden beeinflusste ebenfalls diese Ausrichtung und begünstigte bestimmte Orientierungen. Das deutet darauf hin, dass Grenzen eine wichtige Rolle beim Entstehen von Ordnung in granularen Systemen spielen können.

Interessanterweise sind Echtzeitbeobachtungen von quasikristallinen Strukturen während des Assemblierungsprozesses in wissenschaftlichen Studien selten. Die meisten Techniken erlauben nur die Analyse der endgültigen Struktur, was diese Forschung bemerkenswert macht, da sie Veränderungen in den Konfigurationen im Laufe der Zeit verfolgen kann. Die Ergebnisse helfen, Licht darauf zu werfen, wie sich diese einzigartigen Strukturen entwickeln und welche Dynamiken an ihrer Assemblierung beteiligt sind.

Zusammenfassend zeigte die Forschung, dass die Bildung von Quasikristallen nicht auf kleine Massstäbe oder spezifische Materialtypen beschränkt ist; sie kann auch in grösseren, makroskopischen Systemen auftreten. Dies erweitert das Verständnis des Verhaltens von Quasikristallen über traditionelle Kontexte hinaus und eröffnet neue Wege, um zu erkunden, wie unterschiedliche Kräfte und Anordnungen zur Entstehung komplexer Strukturen in verschiedenen Materialien beitragen. Die gewonnenen Erkenntnisse aus diesen Studien könnten zu Fortschritten in der Materialwissenschaft führen, insbesondere in der Entwicklung neuer Materialien und Geräte, die die einzigartigen Eigenschaften von Quasikristallen nutzen.