Archiv der Online-Zeitung

Kristalline Materialien haben vielfältige und erstaunliche physikalische Eigenschaften: Vom Schwingquarz in der Quarzuhr über den Halbleiterkristall im Laserpointer oder die Flüssigkristalle in unseren LCD-Displays erfüllen sie in der modernen Technik die unterschiedlichsten Aufgaben. Tamara Djordjević synthetisiert im Rahmen eines Hertha-Firnberg-Programms verschiedene Salze der Arsen- und Vanadiumsäure, die interessante Materialeigenschaften versprechen.

Oft bunt und bisweilen gefährlich. Das sind zwei der offensichtlicheren Eigenschaften der Kristalle, die Dr. Tamara Djordjević am Institut für Mineralogie und Kristallographie synthetisiert. Gefährlich sind sie, weil die Metalle Arsen und Vandium, um deren Verbindungen es im FWF-Projekt geht, giftig sind. Tamara Djordjević geht es um weniger Offensichtliches: Die untersuchten Stoffe aus den Gruppen der Arsenate und Vanadate sind weitgehend unerforscht und versprechen nützliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie etwa die Fähigkeit, Licht auszustrahlen, gezielt gewisse Stoffe zu binden oder als Katalysator chemische Reaktionen zu beschleunigen. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie sich die im Projekt untersuchten Metall-Ionen (Strontium, Barium, Cadmium und Bismuth sowie Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer und Zink) mit Arsensäure bzw. Vanadiumsäure zu Arsenaten und Vanadaten verbinden können. "Ich werde in den kommenden drei Jahren grob geschätzt 40 bis 50 Materialien herstellen und beschreiben - das sind aber noch lange nicht alle möglichen Verbindungen", erklärt Djordjević.

Qualität aus Quantität

Wichtig, so Tamara Djordjević, sei nicht die schiere Quantität der hergestellten und analysierten Materialien, diese sei nur die Basis ihrer Arbeit: "Letztendlich geht es um die Formulierung allgemeiner Regeln wie: Warum kristallisiert das so und nicht anders? Warum hat das Material diese oder jene Eigenschaft?"

Hydrothermal-Bomben

Wie geht Djordjević nun vor? "Ich synthetisiere Materialien, bestimme ihre Struktur und beschreibe sie." Um im Labor Kristalle zu züchten, löst Djordjević zuerst Arsen- bzw. Vandiumoxyd in Wasser, wodurch Arsensäure und Vanadiumsäure entsteht. Die Säuren werden dann mit unterschiedlichen Mengen und Kombinationen der im Projekt untersuchten Metalle und ihrer Verbindungen in kleine Teflon-Schälchen gefüllt. Diese - sehr stabilen - Gefäße wiederum packt die Mineralogin in eine Art Super-Dampfdruckkochtopf im Miniformat: "Hydrothermal-Bomben" nennt sie diese kleinen Stahlzylinder (im Fachjargon heißen sie Autoklave), die mit einem großen Schraubenschlüssel verschlossen werden und in denen, bei genügender Hitze, enormer Druck entstehen kann.

Löslichkeit, Druck und Temperatur

Wasser, schon bei Zimmertemperatur ein hervorragendes Lösungsmittel, zeigt unter Hitze und Druck erst richtig, was es kann. Unter den "höllischen" Bedingungen in den Autoklaven lösen sich plötzlich Substanzen, und es bilden sich Verbindungen, die sich unter normalem Atmosphärendruck nicht bilden würden. Die entstehenden Materialien variieren je nach dem Gemenge der beteiligten Substanzen und auch je nach Wasserstand im Teflontiegel: Ein bisschen mehr oder weniger Wasser, und der Druck im Behälter verändert sich - worauf sich ein und dieselben Ausgangsprodukte auf andere Weise verbinden. Nach dem Erhitzen in einem speziellen, programmierbaren Ofen - ein Vorgang, der von drei Tagen bis zu mehreren Wochen dauern kann - lässt Djordjević die Kristalle durch Abkühlen wachsen: Mit sinkender Temperatur und Druck sinkt die Löslichkeit der neuen Substanzen und sie kristallisieren aus.

Röntgendiffraktometrie

Nach der Abkühlung folgt die Analyse: Mittels Einkristall-Röntgendiffraktometrie bestimmt Tamara Djordjević die Struktur der Kristalle. Immer wieder gibt es Substanzen, bei denen nicht einzelne Kristalle ausgebildet werden, sondern Zwillinge, regelmäßige Verwachsungen mehrerer Kristalle. Die Struktur solcher Zwillingskristalle ist besonders schwer zu bestimmen. Wissen dazu holt sich Djordjević diesen Sommer in Kuba, wo sie sich in einer Summer School der International Union of Crystallography in mathematische Verfahren zur Datenanalyse vertiefen wird. (hz)


Dr. Tamara Djordjević forscht im Zuge des dreijährigen Hertha-Firnberg-Stipendiums des FWF am Institut für Mineralogie und Kristallographie im Center for Earth Sciences der Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie. Sie begann das Projekt "Zur Kristallchemie der M1-M2-H-Arsenate und -Vanadate" im Jänner 2007.