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Einblick in das Herz der Kristalle

KSA

Quarz (Bergkristall)
SXC

Ihre Faszination ist ungebrochen: Mit bunten Edelsteinen und funkelnde Kristallen schmückten sich schon unsere Vorfahren und noch heute begeistert ihre Schönheit Menschen jeder Hautfarbe und jeden Alters. Bereits vor 6.000 Jahren wurde in manchen Regionen der Erde Lapislazuli entdeckt und verarbeitet. Die Sumerer verwendeten 3.000 Jahre später Carneol, Obsidian, Fluorit oder Achat, um daraus Rollsiegel herzustellen, Gebäude oder Statuen zu schmücken oder als Grabbeigabe. Den Ägyptern waren zur selben Zeit bereits Malachit, Amethyst, Smaragd oder Granat bekannt. Sie wurden unter anderem als Talismane für Amulette verwendet.

Was sich aber hinter den besonderen Eigenschaften dieser Mineralien verbirgt, das hat erst die Kristallographie aufgeklärt – die Wissenschaft von den Kristallen. 1914, vor genau hundert Jahren, nahm die moderne Kristallographie ihren Anfang. Damals erhielt der Forscher Max von Laue den Nobelpreis für Physik für seine Entdeckung, dass Kristalle aus einem dreidimensionalen, sehr regelmäßigen Grundplan aufgebaut sind, einem Gitter aus Atomen. Dies gilt als die Geburt der modernen Kristallographie. An dieses Datum soll das diesjährige UN-Jahr der Kristallographie erinnern. In der Resolution zum UN-Jahr heißt es, "dass unser Verständnis der materiellen Beschaffenheit der Welt vor allem auf unseren Kenntnissen der Kristallographie gründet".

Wie aber sieht es konkret in einem Kristall aus – und wie hat man dies herausgefunden? Erste Ansätze zu einer systematischen Beschreibung von Mineralien gab es schon vor fast 2.500 Jahren. Damals schon notierten Gelehrte die verschiedenartige, oft aber typisch eckige Form dieser funkelnden Steine, klassifizierten sie nach ihrer Farbe, Transparenz und Form. Im 16. Jahrhundert führten wissenschaftliche Untersuchungen von Georgius Agricola und von Johannes Kepler zu ersten wichtigen Erkenntnissen über die geometrischen Eigenschaften – sie erkannten bereits bestimmte Gesetzmäßigkeiten in der Form bestimmter Mineralien, aber auch bei den Kristallen von Salz, Zucker oder Eis.

Anfang des 20. Jahrhunderts eröffnete dann das Röntgen ganz neue Möglichkeiten, auch die innere Struktur der Kristalle zu analysieren. Treffen Röntgenstrahlen auf einen Kristall, werden sie von den Atomen, den kleinsten Bausteinen dieses Minerals, gestreut und gebeugt. Dabei aber stellte sich etwas Ungewöhnliches heraus: Im Gegensatz zu Röntgenbildern von Knochen oder anderen organischen Materialien, warfen Kristalle das Röntgenlicht nicht ungeordnet zurück, sondern nur in ganz bestimmten Richtungen. Indem Max von der Laue und seine Kollegen diese Richtungen ausmaßen und verglichen, fanden sie heraus, dass diese Rückstrahlung ihre Ursache im Aufbau der Kristalle hatte: Weil die Atome in einem ganz regelmäßigen, dreidimensionalen Gitter angeordnet waren, erzeugten sie auch geometrische Muster in den Röntgenbildern.

Heute weiß man: Im Inneren der Kristalle sind die kleinsten Bausteine meist nach einem strengen, gesetzmäßigen Bauplan angeordnet und bilden gitterartige Strukturen. Insgesamt gibt es weit über hundert dieser geometrischen Grundformen. Manche, wie der Würfel, sind relativ einfach aufgebaut, andere haben eine viel kompliziertere Struktur und werden dann Rhombendodekaeder oder Klimopinakoid genannt. Häufig sind die Kristalle so klein, dass sie nur mit extrem guten Mikroskop zu erkennen sind, andere jedoch, wie den Bergkristall, kann man problemlos mit bloßem Auge betrachten. Wie schnell ein Kristall wächst, ist dabei je nach Mineral und Umweltbedingungen ganz unterschiedlich. Mit der Zeit - und wenn die Kristalle genügend Platz zum Wachsen haben - bilden sich dabei manchmal riesige Säulen und Blöcke. In der Höhle von Naica in Mexiko beispielsweise erreichen weißliche Kristalle aus Gips und Selenit mehrere Meter Länge.

Kristallographie ist aber nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig. Sie kann auch ganz praktisch dazu beitragen, neue Arzneimittel zu finden, Umweltschadstoffe und Gifte zu identifizieren oder neue Materialien zu entwickeln.

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