Kristalle stecken in Smartphones, Computern und Leuchtmitteln. Für elektronische Geräte braucht man besonders reine Kristalle. Die züchten Forschende in Laboren.
Sie können glitzern und funkeln und in allen Farben leuchten. Manche findet man in großen Mengen: Im Salz, im Zucker, im Schnee. Aber es gibt auch welche, die es ganz selten gibt und deshalb sehr kostbar sein können. Die Rede ist von Kristallen.
Ein Kristall kann aus ganz unterschiedlichen chemischen Stoffen bestehen. Entscheidend ist sein Bauplan. Denn in einem Kristall sind die winzigen Bestandteile, die Atome, in einer regelmäßigen Struktur angeordnet. Diese Struktur gibt Kristallen eine flächige, kantige Oberfläche. In Zuckerkörnern oder Schneeflocken sind diese Flächen winzig. In manchen Gesteinen sind sie viel größer.
Wichtige Halbleiter
Kristall bezeichnet also nicht einen bestimmten Stoff, sondern die bestimmte Struktur eines Materials. Diese verleiht dem Kristall besondere Eigenschaften. Sie machen einen Stoff zum Beispiel besonders hart. Außerdem können Kristalle Wärme oder elektrischen Strom in eine Richtung leiten, in die andere aber nicht. Solche Kristalle werden Halbleiter genannt. Und die spielen in unserem Alltag eine große Rolle.
Fast in allen elektronischen Geräten stecken hauchdünne Halbleiter aus Kristallen. Damit die gut leiten können, müssen sie möglichst rein sein. So rein, wie sie in der Natur nie vorkommen würden. Deshalb werden besonders reine Kristalle in Laboren hergestellt. Man sagt auch: Sie werden gezüchtet.
Torsten Boeck arbeitet in so einem Labor. Er kennt sich gut mit Kristallen und deren Herstellung aus. „Wir züchten Kristalle ganz ähnlich wie Pflanzen“, erklärt der Fachmann. „Auch unsere Kristalle entstehen durch einen winzigen Keim, der zu wachsen beginnt und immer größer wird.“
Vom Keim zum Kristall
Dieser Keim wird aber nicht in ein Blumenbeet gepflanzt und gegossen. Stattdessen nutzt Torsten Boeck für seine Kristallzüchtung einen bestimmten Stoff: Silizium. Dabei wird der Keim eines ganz reinen Silizium-Kristalls in eine brodelnd heiße Schmelze aus flüssigem Silizium getaucht. „Das ist ein sehr kompliziertes Verfahren, bei dem man sehr genau arbeiten muss“, sagt Torsten Boeck. „Dabei kommt es auf die richtige Temperatur, den richtigen Druck und die richtigen Bewegungen an.“
Wenn beim Züchten alles klappt, dann heften sich die Atome des Silizium-Breis in einer ganz bestimmten Reihenfolge an den kristallinen Silizium-Keim. Nach und nach machen das immer mehr Atome, sodass der Kristall zu einem immer größeren Gebilde wächst.
Der fertige Kristall kann dann aushärten, wird in hauchdünne Scheiben geschnitten und schließlich in allen möglichen elektronischen Geräten eingebaut werden. „Ohne Silizium-Kristalle würde kein Smartphone und kein Computer funktionieren“, sagt der Fachmann. Auch könnte man mit Solarzellen keinen elektrischen Strom gewinnen und viele Lampen nicht leuchten lassen. Deshalb sind die reinen Kristalle und die Arbeit von Torsten Boeck auch so wichtig.
Wertvolle Steine
Übrigens: Wusstest du, dass unter unseren Füßen lauter kostbare Schätze liegen? Der Boden ist voll davon! Die Rede ist von besonderen Steinen. Eigentlich ist die ganze Erdkruste aus Stein geformt. Dazu gehören die großen Felsen aus dem Gebirge wie die feinen Sandkörner am Meer.
Das Gestein besteht aus verschiedenen Gemischen von Mineralen. Das sind feste Stoffe, die aus denselben chemischen Elementen oder denselben Verbindungen dieser Elemente bestehen. Fast alle diese Minerale kommen als Kristalle vor. Dann ist der Stoff in einer ganz bestimmten und regelmäßigen Struktur entstanden.
Manche Minerale sind seltener als andere. Sie sind im Laufe von Jahrtausenden unter viel Druck und Hitze entstanden. Solche Minerale können dann besonders hart sein und tolle Farben haben. Und weil sie so schön und selten sind, gelten sie bei uns als besonders kostbar. Wir bezeichnen sie als Edelsteine. Dazu gehören etwa rote Rubine, grüne Smaragde – oder die farblosen, aber unheimlich harten Diamanten.
Text und Bild: Philipp Brandstädter,
zunächst erschienen über dpa Nachrichten für Kinder, März 2019
Quellen:
Kristallografie in Deutschland
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