3.2.2 Kristallgalerie

Einfache Kristalle

Schauen wir uns mal ein paar Kristallbildchen an – nur um ein Gefühl dafür zu bekommen, was man mit einem Gitter und einer Basis so alles anfangen kann.
Erst mal wichtige Strukturen für die Elektrotechnik. Die Striche sind Hilfslinien. Sie illustrieren zwei völlig verschiedene Dinge: 1. das Bravaisgitter (z. B. die "Würfel"), 2. die kovalenten Bindungen.
Diamant Struktur Zirkonoxid Wurtzit
Zinkblende-Struktur (wegen ZnS), auch Sphalerit genannt;
bei nur einer Atomsorte: Diamantstruktur
Calciumfluoridstruktur (CaF2);
auch Zirkonoxid-Struktur genannt
Wurtzit-Struktur
Cdia, Si, Ge, GaAs, InP, GaP, ...
Fast alle wichtigen Halbleiter
Wichtige Sensoren (z. B. Lambda-Sonde) GaN (auch SiC)
GaN ist Schlüsselmaterial für die Optoelektronik
Hier sind die einfachsten Ionenkristalle:
NaCl Struktur CsCl Struktur
NaCl-Struktur
KCl, AgBr, KBr, PbS, ... oder MgO, FeO, ...
CsCl-Struktur
TlJ, ..., oder AlNi, CuZn
Wer glaubt, dass die CsCl-Struktur entsteht, indem man Atome auf ein bcc-Gitter setzt, hat etwas gründlich mißverstanden!
Perowskite gewinnen immer mehr an technischer Bedeutung. Es sind immer drei verschiedene Atome beteiligt, und der prizipielle Aufbau ist sehr einfach:
Perowskit
Typischer Vertreter: BaTiO3 [Ba bei (0,0,0), O bei (½, ½, 0) und Ti im Zentrum bei (½, ½, ½)]
oder CaTiO3 ; aber auch YBa2Cu3O7.
Bei der etwas merkwürdigen Substanz YBaCuO7 sollte jetzt vielleicht leise ein Glöcken im Hirn zu klingeln anfangen.
 

Kompliziertere Kristalle

Schon die einfachsten natürlichen Mineralien haben in der Regel komplizierte Kristallstrukturen.
Das ergibt sich meist schlicht aus der Tatsache, dass 3,4,5,... viele Atomsorten beteiligt sind. Aber schon mit nur zwei Atomsorten kann's trickreich werden:
Korund Opal
Halbe Elementarzelle von Korund = schlichtes Aluminumoxid (Al2 O3 ) Opal im Rasterelektronenmikroskop
Verwendet für Schmirgelpapier oder, falls einkristallin, als Substrat für Optoelektronik, kratzfestes "Glas" für teure Uhren; mit etwas Cr oder Ti verunreinigt als Schmuckstein (Rubin bzw. Saphir). Dichte Kugelpackung (fcc) von kleinen amorphen
SiO2-Kügelchen (= Quarzglas). Sehr merkwürdig!
 Spinel Struktur  
Spinelle = die Welt der Mineralien.
Grundformel: A8 B16 O32
Magnetit: Fe3+( Fe2+ Fe3+)O4,
Spinel: Mg2+( Al23+)O4
Wenn wir jetzt noch die Biologie bemühen, wird's richtig kompliziert. Wer überdies noch den Link betätigt, lernt sogar noch was über Kristalle in 6 (!) Dimensionen.
   
Proteinkristall Eiweissmolekül
Relativ simples Protein als Basis; Anordnung in einem Kristall.
Ein komplexes Protein als Basis. Die "Bänder" symbolisieren C-Ketten mit Nebengruppen
Proteinkristall
Realer Proteinkristall mit komplexer Basis
Jetzt müsste sich eine Frage aufdrängen: Woher weiß man eigentlich, dass das komplexe Protein oben rechts räumlich so aufgebaut ist wie gezeichnet? Oder ganz allgemein: dass alle hier gezeigten Strukturen so sind wie gezeichnet?
Antwort: Aus der Strukturanalyse von Kristallen mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse (man kann auch Elektronenstrahlen oder Neutronenstrahlen nehmen). Um die räumliche Struktur eine Proteins aufzuklären (die seine Funktion bestimmt), muss man
  1. das Molekül dazu bringen zu kristallisieren (schwierig, mühsam und nicht immer möglich);
  2. die Struktur durch Röntgenbeugung bestimmen (nur mit Großrechner und sehr viel Theorie machbar).
Das paradigmatische Beispiel ist: Bestimmung der DNA-Struktur durch Watson, Crick und Franklin; Anfang der 1950er Jahre
Fragebogen
Schnelle Fragen zu 3.2


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© H. Föll (MaWi für ET&IT - Script)