Zusammenfassung:
Ein Forschungsteam unter der Leitung der University of California, Los Angeles (UCLA) hat kürzlich eine neue Studie zur Kristallbildung angekündigt. Zum ersten Mal nutzten Wissenschaftler die dreidimensionale atomare Bildgebungstechnologie, um den Kristallkeimbildungsprozess Atom für Atom zu beobachten, und stellten fest, dass es keine klare Grenze zwischen der geordneten Struktur im Inneren des Kristalls und dem umgebenden ungeordneten Material gibt, wie es in der klassischen Theorie beschrieben wird. Die Entdeckung könnte das grundlegende Verständnis darüber verändern, wie Kristalle bei Phasenübergängen in Materie entstehen.
Seit fast einem Jahrhundert verlassen sich Wissenschaftler auf die klassische Nukleationstheorie, um Phasenwechselprozesse wie das Gefrieren von Flüssigkeiten und die Kondensation von Gasen zu erklären. Diese Theorie geht davon aus, dass sich zunächst einige winzige geordnete Bereiche, sogenannte Kristallkeime, im Inneren der Substanz bilden und diese Kristallkeime dann weiter wachsen und schließlich vollständige Kristalle bilden. Die Kerngleichungen, die dieser Theorie zugrunde liegen, wurden durch Tausende von Experimenten gestützt.
Als Forscher jedoch die Kristallbildung im dreidimensionalen Raum auf Atom-für-Atom-Basis beobachteten, unterschied sich die tatsächliche Struktur des Kristallkerns von der, die das klassische Modell vorhersagte. Das Forschungsteam nutzte komplexe Legierungsnanopartikel aus mehreren metallischen Elementen und entwickelte eine Methode, um die Kristallkeime in verschiedenen Bildungsstadien einzufrieren und so diesen Prozess zu beobachten, der normalerweise extrem schnell abläuft.
Die Forscher fanden heraus, dass der Übergang von geordneten Kristallen zum umgebenden ungeordneten Material allmählich und nicht plötzlich mit einer klaren Trennlinie erfolgt. Jianwei „John“ Miao, Professor für Physik und Astronomie an der UCLA, Mitglied des California Nanosystems Institute und korrespondierender Autor des Artikels, sagte, dass der Kristallkern keine einheitliche innere Struktur und klare Grenzen habe, wie in der klassischen Keimbildungstheorie beschrieben. Im Gegenteil, der zentrale Bereich jedes Kristallkeims weist die höchste Kristallinität auf. Je näher man der Grenze kommt, desto ungeordneter wird die Atomanordnung und es entsteht ein kontinuierlicher Gradient.
Um dieses Phänomen zu erklären, schlug das Forschungsteam ein komplexeres „Gradientenkeimbildungspfadmodell“ vor. Dieses neue Modell stellt die klassische Nukleationstheorie nicht auf den Kopf, sondern erweitert sie vielmehr. Miao sagte, dass die klassische Theorie tatsächlich als Sonderfall des neuen Modells betrachtet werden kann: Wenn dieser Sonderfall in die neuen Gleichungen eingefügt wird, kann man genau die gleichen Ergebnisse erhalten wie die klassische Keimbildungstheorie. In tatsächlichen Experimenten beobachteten die Forscher jedoch nie klare Grenzen auf atomarer Ebene, sondern sahen stattdessen wiederholt diese Gradientenstruktur.
Der Keimbildungsprozess ist in natürlichen und technischen Systemen wie der Bildung von Wolkentröpfchen und der industriellen Fertigung weit verbreitet. Daher kann sich ein neues Verständnis dieses Prozesses auf mehrere Forschungsbereiche auswirken und als Referenz für die Entwicklung neuer Technologien dienen.
Um die verschiedenen Stadien der Kristallbildung zu erfassen, erhitzten die Forscher die Nanopartikel zunächst auf mehr als 3.000 Grad Fahrenheit (etwa 1.649 Grad Celsius) und kühlten sie dann innerhalb weniger Hundertstelsekunden schnell auf Raumtemperatur ab. Durch schnelles Abkühlen wird der Kristallbildungsprozess eingeleitet, während die Kristallkeime in verschiedenen Nanopartikeln in ihren unterschiedlichen Entwicklungsstadien verbleiben.
Miao erklärte, dass die für die Datenerfassung erforderliche Zeit viel länger ist als der Keimbildungsprozess selbst, sodass Forscher zunächst den Kristallbildungsprozess „einfrieren“ müssen, bevor sie das Keimbildungsphänomen in verschiedenen Stadien untersuchen können.
Das Forschungsteam führte dann mithilfe der Atomelektronentomographie eine dreidimensionale Rekonstruktion jedes einzelnen Nanopartikels Atom für Atom durch und nutzte eine fortschrittliche statistische Analyse, um den Grad der Ordnung in verschiedenen Regionen zu quantifizieren. Der gesamte Datensatz enthält mehr als 8.000 Kerne, deren Größe von weniger als 10 Atomen bis zu mehr als 1.000 Atomen reicht.
Die Forscher beobachteten wiederholt das gleiche Muster in diesen Kernen: Der Grad der atomaren Ordnung war im zentralen Bereich am höchsten und nahm zur Oberfläche hin allmählich ab. Während der Kristallkern weiter wächst, wird der Ordnungsgrad in seinem zentralen Bereich weiter zunehmen.
Diese Gradientenstrukturen verändern auch das Verständnis der Forscher über die Energie, die zur Bildung von Kristallkeimen erforderlich ist. Die klassische Keimbildungstheorie besagt, dass Kristallkeime einen klaren Mindestenergiebedarf, eine sogenannte Energiebarriere, überwinden müssen. Nur wenige Kristallkeime mit ausreichend Energie können diese „Wand“ durchqueren.
Experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass der Keimbildungsprozess die Energiebarriere möglicherweise nicht auf einmal überschreitet, sondern schrittweise über mehrere Zwischenstufen abgeschlossen wird. Miao verglich es mit dem Erklimmen einer Wand: Die klassische Theorie besagt, dass der Kristallkern direkt über eine Wand klettern muss, aber die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Natur möglicherweise einen effizienteren Weg gewählt hat, indem sie Schritt für Schritt über eine Leiter klettert und mehrere Zwischenzustände nutzt, um Energiebarrieren zu überwinden. Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass das neue Gradientenkeimbildungspfadmodell diesen Prozess beschreiben und erklären kann, warum Kristallkeime effizienter gebildet werden können.
Der vollständige Phasenwechselprozess erfordert auch die Verbindung verschiedener Kristallkeime miteinander. Das Forschungsteam entdeckte dabei auch ein unerwartetes Phänomen: Viele nahe beieinander liegende Kristallkeime haben bereits vor der Verschmelzung nahezu die gleiche Ausrichtung, was ihnen die endgültige Verbindung erleichtert.
Miao sagte, es sei überraschend, dass viele der Kerne bereits vor der Verschmelzung nahezu ausgerichtet waren. Es spiegelt möglicherweise einen Entstehungspfad mit niedrigerer Energie wider, zeigt aber auch, dass es noch viel zu erforschen gibt, wie die Natur Materie organisiert.
Die in diesem Experiment verwendeten Legierungen mit hoher und mittlerer Entropie tauchten erst vor etwa 20 Jahren auf. Solche Materialien bestehen aus mehreren metallischen Elementen, die in ungefähr gleichen Anteilen gemischt sind, im Gegensatz zu herkömmlichen Legierungen wie Stahl, bei denen ein einzelnes Primärelement dominiert. Ihre stark gemischte Atomstruktur kann ungewöhnliche Kombinationen von Eigenschaften wie Festigkeit und Flexibilität erzeugen und kann auch zur Herstellung effizienterer und langlebigerer chemischer Reaktionskatalysatoren verwendet werden.
Das Verständnis des Keimbildungsprozesses dieser Materialien kann Forschern dabei helfen, sie besser zu entwerfen und zu entwickeln, sagte Miao. Gleichzeitig ist das Forschungsteam davon überzeugt, dass dieses Modell auch auf andere Keimbildungssysteme in großem Umfang angewendet werden kann.
Da die Nukleation ein allgegenwärtiges Phänomen in der Natur und in technischen Systemen ist, könnte diese Forschung Auswirkungen auf so unterschiedliche Bereiche wie Naturwissenschaften, Klimamodellierung, Lebensmittel, Pharmazeutika, Halbleiter und Elektronik haben. Die diesmal verwendete atomare Bildgebungsmethode könnte Forschern auch ein neues Werkzeug bieten, um zu untersuchen, wie der Keimbildungsprozess abläuft.
Für Miao besteht die wichtigere Bedeutung dieser Forschung darin, dass sie die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu veranlassen könnte, zu überdenken, wie sich Materie während Phasenwechseln organisiert. Er sagte, das Forschungsteam glaube, dass diese Arbeit das Verständnis der Forscher über Keimbildungsphänomene verändern werde, und hoffe, dass zukünftige Lehrbücher dieses neue Verständnis schließlich widerspiegeln.
Diese Forschung mit dem Titel „Crystal Nucleation and Growth in High-Entropy Alloys Revealed by Atomic Electron Tomography“ wurde am 25. August 2026 in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht. Die Forschung wurde hauptsächlich von der Abteilung Materials Science and Engineering des Basic Energy Science Program des Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt.
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