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Der tiefe Blick in den Kristall

Die Röntgenkristallographie dient zur Identifizierung atomarer und molekularer Strukturen von Kristallen. Foto: Kaspar Kallip
Die Röntgenkristallographie dient zur Identifizierung atomarer und molekularer Strukturen von Kristallen. Foto: Kaspar Kallip

„Dank der Analysemethode mittels Röntgendiffraktion können wir rasch feststellen, welche Eigenschaften Werkstoffe mit kristalliner Struktur, wie Metalle, aufweisen. Das ist vor allem bei der Synthese neuer Stoffe aus verschiedenen Materialien wichtig“, erläutert Privatdozent Dr. Torsten Staab vom Lehrstuhl für Chemische Technologie der Materialsynthese an der Universität Würzburg. „Dazu betrachten wir den Einfluss ihrer Mikrostruktur auf die Beugung oder Streuung von Röntgenstrahlen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen besitzt dabei Vorteile gegenüber anderen Analyseverfahren; so müssen Gegenstände, die wir prüfen, in vielen Fällen nicht zerstört werden.“

Durch Zufall zum Erfolg 

Als Beispiel für einen solchen Forschungsgegenstand nennt der Wissenschaftler ein Element, das wir alle kennen: Aluminium! Wer schon einmal geflogen ist oder ein sportliches Fahrrad fährt, ist mit diesem Metall in Berührung gekommen. 1887 wurde Aluminium erstmals aus dem Rohstoff Bauxit industriell hergestellt, bis dahin war es wertvoller als Gold. Heute ist das Leichtmetall ein zentraler Bestandteil vieler alltäglicher Produkte und wird in unterschiedlichen Formen unter anderem in der Fahrzeug- und Transportindustrie, beim Hausbau und der Fassadentechnik, in der chemischen Industrie sowie der Medizin eingesetzt.

„Allerdings“, so der Wissenschaftler, „ist reines Aluminium sehr weich.“ Zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckte der deutsche Chemiker Alfred Wilm während seiner Tätigkeit als Metallurg an der Zentralstelle für wissenschaftlich-technische Untersuchungen in Neubabelsberg eher zufällig eine Methode, das Aluminium durch Mischung mit anderen Metallen sowie durch besondere Fertigungsschritte so zu härten, dass es höheren mechanischen Belastungen standhält. „Das geringe Gewicht, verbunden mit hoher Stabilität, machte diese Legierungen von Anfang an sehr interessant für die Flug- und Fahrzeugindustrie. So wurde die neue Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung schon 1911 im Zeppelinbau eingesetzt.“

Untersuchungsgerät zur Bestimmung von kristallinen Strukturen. Foto: CSIRO Science Image
Untersuchungsgerät zur Bestimmung von kristallinen Strukturen. Foto: CSIRO Science Image

Die Revolution der Analysemethoden

Zu dieser Zeit wurde die Qualität von Industriemetallen, meist Stählen, fast ausschließlich durch Anschliffe und deren fotografische Aufnahmen durch Licht-Mikroskopie (Metallographie) bestimmt. Wie groß der Bedarf an zuverlässigen Analysemethoden damals schon war, erläutert Torsten Staab am Beispiel von Eisenbahn-Radachsen, deren Bruchfestigkeit bereits Mitte des 19. Jahrhunderts Gegenstand erster Forschungen durch August Wöhler war.

Als der deutsche Physiker Max von Laue 1912 entdeckte, dass Röntgenstrahlen regelmäßige Beugungsmuster erzeugen, wenn man sie durch kristalline Stoffe sendet, war der Grundstein für die Erforschung atomarer und molekularer Strukturen gelegt. Dieses Verfahren revolutionierte die Analyse von Werkstoffen und brachte von Laue 1914 den Nobelpreis für Physik ein.

Bei der sogenannten Röntgenbeugung werden Röntgenstrahlen in einem Röntgendiffraktometer durch das zu untersuchende Material, wie zum Beispiel eine Metallfolie, geschickt. Durch die regelmäßige räumliche Anordnung der Atome im Werkstoff werden die Röntgenstrahlen so gebeugt, dass in Röntgenaufnahmen charakteristische Muster (sog. Reflexe) entstehen. „Wir können diese Beugungsmuster mit bereits bekannten Mustern abgleichen und dadurch bestimmte Struktureigenschaften des untersuchten Gegenstandes ableiten“, so der Wissenschaftler.

60 Pfennig-Sondermarke der Deutschen Bundespost (1983), Abbildung der Röntgenstrahl-Beugung am Kristallgitter. Foto: Deutsche Bundespost
60 Pfennig-Sondermarke der Deutschen Bundespost (1983), Abbildung der Röntgenstrahl-Beugung am Kristallgitter. Foto: Deutsche Bundespost

Die Röntgenbeugung hebt ab 

Heute wird das Verfahren der Röntgenbeugung unter anderem dazu verwendet, um den atomaren Anordnungen kristalliner Stoffe auf den Grund zu gehen. Diese Kenntnisse werden benötigt, um Materialeigenschaften in naturwissenschaftlicher und technologischer Hinsicht einordnen zu können. Als ein Ergebnis solcher und ähnlicher Analysen wurden für den Airbus A380, das größte Passagierflugzeug der Welt, neue Aluminiumlegierungen entwickelt, die sich, anders als bei den genieteten Verkehrsflugzeugen davor, schweißen und kleben lassen. Das sparte Gewicht und trug zur Effizienzsteigerung in der Luftfahrt bei.

Mit ihrer mehr als 100-jährigen Tradition hat sich die Materialanalyse mittels Röntgenbeugung in den Naturwissenschaften fest etabliert. Dennoch gehört die Methode längst nicht zum alten Eisen. „Mit unseren Grundlagenforschungen tragen wir heute dazu bei, bekannte Werkstoffe zu verbessern und die Herstellung sowie Bearbeitung neuer Werkstoffe zu ermöglichen“, schildert der Würzburger Forscher – und blickt auch schon auf neue Forschungsfelder: „Momentan haben wir Feststoffelektrolyte für neue Lithium-Ionen-Batterien im Blick, die die Sicherheit zukünftiger Stromspeicher deutlich erhöhen können.“

Diffraktionsmuster von Röntgenstrahlen. Foto: DEL54
Diffraktionsmuster von Röntgenstrahlen. Foto: DEL54

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