Kristallographie

Die Kristallographie (oder auch -grafie) ist die Wissenschaft von den Kristallen, ihrer Struktur, Entstehung oder Herstellung und ihrer Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten.

Untersuchungsgegenstand

Die Kristallographie ist eine Materialwissenschaft, die physikalische und chemische Parameter von Kristallen bestimmt und die in ihnen auftretenden physikochemischen Prozesse untersucht. Die untersuchten Kristalle können natürlichen (Minerale) oder synthetischen (zum Beispiel Keramiken, Metalle) Ursprungs sein. Es kann sich dabei nicht nur um anorganische, sondern auch um organische Stoffe (zum Beispiel Proteine) handeln. Obwohl die meisten heute bekannten Kristalle zur letztgenannten Gruppe gehören, ist die Kristallographie ein Teilgebiet der Mineralogie, aus der sie historisch gesehen entstanden ist.

Untersuchungsmethoden

Ein Zweikreisgoniometer (um 1925) zur Messung der Kristallwinkel. Die Ablesegenauigkeit auf den Teilkreisen ist besser als eine Bogenminute

Die ersten Untersuchungen an Kristallen betrafen ihre äußere Form. So entdeckte Nicolaus Steno 1669 das Gesetz der Winkelkonstanz, demzufolge die Winkel zwischen kristallographisch gleichen Flächen (zum Beispiel die Würfelflächen im kubischen Kristallsystem) desselben Minerals stets gleich groß sind. Für derartige Untersuchungen benutzt man Methoden der geometrischen Optik wie die Reflexionsgoniometrie, bei welcher der Reflexionswinkel des Lichtes zur Bestimmung der Lage einer Kristallfläche im Raum genutzt wird. Eine Standardmethode zur Bestimmung der optischen Eigenschaften von Kristallen (Lichtbrechung, Doppelbrechung, Pleochroismus, Bireflektanz, Anisotropieeffekte) ist die Polarisationsmikroskopie, die sich die Erkenntnisse der Wellenoptik zunutze macht. Mathematische Methoden der Gruppentheorie ermöglichten René-Just Haüy 1801 die Entdeckung des Symmetriegesetzes der Kristallographie und Arthur Moritz Schoenflies und Jewgraf Stepanowitsch Fjodorow 1890/91 die Ableitung der 230 kristallographischen Raumgruppen. Letztgenannter entwickelte zudem den Universaldrehtisch, auch als Fjodorow-Tisch bezeichnet, der einen Zusatz zum Polarisationsmikroskop darstellt und durch freie Rotation der Probe in allen Richtungen die Bestimmung der Orientierung der in ihr enthaltenen Kristalle ermöglicht. Der Beweis, dass Kristalle dreidimensional periodisch aufgebaut sind, gelang Max von Laue mit Hilfe der Röntgenbeugung 1912. Diese Methode ermöglichte in den folgenden Jahrzehnten die Aufklärung der Kristallstruktur der Desoxyribonukleinsäure durch James Watson und Francis Crick (1953) und der des Insulins durch Dorothy Crowfoot Hodgkin (1969) sowie die Entdeckung von fünfzähligen Symmetrieachsen (Quasikristall) in einer schnell abgekühlten Aluminium-Mangan Legierung durch Dan Shechtman und Mitarbeitern (1984). Heute ist die Röntgenbeugung die Standardmethode zur Bestimmung von Kristallstrukturen, obwohl es inzwischen auch andere Methoden wie zum Beispiel die Neutronenbeugung gibt. Während Beugungsmethoden Informationen über den Aufbau des Kristalls als Ganzem liefern, ermöglicht es die Spektroskopie, die nähere Umgebung einzelner Atome zu erforschen. Mit Methoden wie der IR-Spektroskopie, der Raman-Spektroskopie, der Elektronenspinresonanz und der Kernspinresonanz können die Koordinationszahl einzelner Atome bestimmt und der Einbau von Fremdatomen nachgewiesen werden.

Teildisziplinen

Geometrische Kristallographie

• Kristallmorphologie
• Gruppentheorie

Physikalisch-Chemische Kristallographie

• Keimbildung
• Kristallwachstum
• Kristallstrukturanalyse
• Kristalloptik
• Kristallchemie

Technische Kristallographie

• Kristallzüchtung

Studium

In Deutschland kann Kristallographie als Fachrichtung des Studiengangs Mineralogie studiert werden. Nach dessen Zusammenlegung mit der Geologie und der Geophysik werden kristallographische Lehrinhalte in den neuen gemeinsamen Bachelor- und Masterstudiengängen „Geowissenschaften“ vermittelt. In der Schweiz existiert ein eigener Studiengang Kristallographie; diesen gab es auch in der DDR. Absolventen dieser Studiengänge führen den akademischen Grad „Diplom-Kristallograph“.

Literatur

• Borchardt-Ott, Walter (2008): Kristallographie: eine Einführung für Naturwissenschaftler. 7., korrigierte Auflage. Springer-Verlag. Berlin ISBN 9783540782704
• Will Kleber, Hans-Joachim Bautsch, Joachim Bohm, Detlef Klimm: Einführung in die Kristallographie. 2010. ISBN 978-3-486-59075-3

• Zeitschrift für Kristallographie. International journal for structural, physical, and chemical aspects of crystalline materials. München, Oldenbourg Wissenschaftsverlag. ISSN 0044-2968

Weblinks

• Deutsche Gesellschaft für Kristallographie
• International Union of Crystallography
• Geosciences-Forum: Kristallographie
• Atlas der Krystallformen von Victor M. Goldschmidt
• Kristallographie-Seite von Steffen Weber mit anschaulichen Java-Applets
• Bilbao Crystallographic Server (Universität Baskenland)
• Eine Abhandlung über die Geschichte der Kristallographie
• Linkverzeichnis zu Einführungen in die Kristallographie (auf Englisch)
• Institut für Mineralogie, Kristallographie und Materialwissenschaft der Universität Leipzig