Symmetrie, die in Flüssigkeiten steckt

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart haben erstmals nachgewiesen, dass Flüssigkeiten über eine fünfzählige innere Symmetrie verfügen. Dieses Ergebnis ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Stabilität kondensierter Materie.

Danach sind Kristalle und Flüssigkeiten in ihrer Symmetrie nicht miteinander verwandt. Das hat zur Folge, dass sich die Atome beim Übergang vom flüssigen in den kristallinen Zustand erst neu ordnen müssen, bevor das Kristallwachstum einsetzen kann.

Symmetrien sind ein wichtiger Schlüssel, mit dem Physiker die Geheimnisse der Natur zu enträtseln und zu ordnen suchen. So gehen die Entdeckung des Periodensystems der Elemente oder der Quarks auf Symmetrie-Prinzipien zurück. Auch die Schönheit von Kristallen und ihre besonderen Eigenschaften hängen entscheidend von ihren inneren Symmetrien ab. Kristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie den Raum lückenlos und vollkommen periodisch ausfüllen.

Bereits vor mehr als hundert Jahren fanden die Wissenschaftler heraus, dass diese atomare Anordnung nur ganz wenige Rotations-Symmetrien zulässt – die sogenannten zwei-, drei-, vier- und sechsfachen Symmetrie-Achsen. Darauf beruht ein berühmter Lehrsatz der Kristallkunde, wonach Kristalle entweder als Rechtecke, Dreiecke, Würfel oder Sechsecke vorkommen. Alle anderen Symmetrien, wie zum Beispiel ein Fünfeck, sind nicht im Einklang mit dem dreidimensionalen Raum.

In Flüssigkeiten heften sich die Atom-Kugeln ähnlich eng aneinander wie in Kristallen, ihre Dichte ist deshalb annähernd gleich. Im Unterschied zu Kristallen besitzen Flüssigkeiten jedoch keine vorgegebene feste Form und sind hochbeweglich. Ließen sich die Atome in der Flüssigkeit direkt sichtbar machen, würde man beobachten, dass sie kein periodisches Muster ausbilden und sich ständig neu anordnen. Dieser Prozess läuft in weniger als einer Pikosekunde ab (ein Tausendstel einer Milliardstel Sekunde; in dieser Zeit durchquert Licht gerade einmal die Dicke eines menschlichen Haares). Hat die Natur in Flüssigkeiten tatsächlich keine Symmetrie eingebaut? Wissenschaftler haben sich deshalb schon seit längerem gefragt, welche Strukturen sich ergäben, würde man gleiche Kugeln möglichst eng zusammenpacken. Bei ihren Modellierungen fanden die Forscher eine überraschende Antwort: Anders als im symmetrischen Bauplan eines Kristalls erlauben in Flüssigkeiten nicht Würfel oder Sechsecke, sondern fünfeckige Gebilde eine ideale Anordnung der Atome.

Dies legte bereits vor mehr als fünfzig Jahren die Vermutung nahe, dass Flüssigkeiten aus lokalen Strukturen bestehen könnten, die diese „verbotene“ fünfzählige Symmetrie aufweisen. Doch bisher war es nicht möglich, diese Gebilde direkt nachzuweisen. Sie entstehen und vergehen innerhalb der oben genannten extrem kurzen Zeitabstände und galten bisher als eine „verborgene Symmetrie“ in der Natur.

In einem Experiment haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung erstmals nachgewiesen, dass Flüssigkeiten tatsächlich aus fünfzähligen atomaren Strukturen aufgebaut sind. Die grundlegende Idee des Versuchs ist sehr einfach: Gelingt es, einen Teil der hochbeweglichen Gebilde innerhalb der Flüssigkeit räumlich orientiert festzuhalten, ohne die Flüssigkeit dabei zu zerstören, dann müsste sich die verborgene fünffache Symmetrie durch eine Röntgenstruktur-Analyse direkt nachweisen lassen.

Die Stuttgarter Forscher benutzten in ihren Versuchen geschmolzenes Blei. Der entscheidende Trick bestand darin, die vermuteten Blei-Fünfecke an einer Kristalloberfläche einzufangen und auszurichten. Dazu diente eine von Verunreinigungen vollständig gesäuberte Silizium-Oberfläche. Im Experiment wurde ein energiereicher Röntgenstrahl durch das Silizium auf die Grenzfläche zwischen dem flüssigen Blei und dem kristallinen Silizium gerichtet und reflektiert. Durch einen optischen Trick erzeugten die Wissenschaftler einen zusätzlichen Röntgen-Teststrahl, der nur wenige Millionstel Millimeter in das flüssige Blei eindrang, es gewissermaßen „tunnelte“ und an den Bleiatomen gestreut wurde. Die genaue Analyse der Röntgenstreuverteilung der Schicht aus flüssigem Blei ergab tatsächlich eine fünfzählige Symmetrie der Flüssigkeit an der Grenzfläche. Eine ausreichende Intensität eines derartig feinst-fokussierten Strahls lässt sich nur mithilfe laserartig gebündelter Röntgenstrahlung erreichen, wie sie modernste Synchrotronstrahlungsquellen liefern. Bei einem Synchrotron handelt es sich um gigantische Vakuumröhren, in denen Elektronen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit durch regelmäßig angeordnete Magnete hindurch geführt werden. Von diesen Magnetstrukturen abgelenkt, geben die Elektronen einen Teil ihrer Bewegungsenergie als Röntgenlicht ab, das in einem laserartig gebündelten Strahl austritt.

Die Beobachtung einer lokalen fünfzähligen Symmetrie in einfachen Flüssigkeiten wie Blei hat tiefergehende Bedeutung für das Verständnis der Stabilität kondensierter Materie. Die Experimente zeigen zum ersten Mal direkt, dass Kristalle und Flüssigkeiten strukturell nicht miteinander verwandt sind.

Außerdem muss beim Gefrieren erst die im Kristall „verbotene“ fünfzählige Symmetrie gebrochen werden, bevor das Kristallwachstum einsetzen kann. Diese „Gefrierbarriere“ bewirkt, dass Flüssigkeiten erheblich unter den Gefrierpunkt gekühlt werden können – eine Erfahrung, die wir auch aus dem Alltag kennen, zum Beispiel bei Eisregen.

Umgekehrt lassen sich mit dem Wissen über innere Strukturen in Flüssigkeiten auch die Eigenschaften von Gläsern erklären: Wandelt man unterkühlte Flüssigkeiten in Festkörper um, werden die lokalen Flüssigkeitsstrukturen nicht mehr aufgebrochen. Es bildet sich ein nichtkristallines Netzwerk, eine sogenannte amorphe Struktur. Mit weiteren Untersuchungen der lokalen Flüssigkeitsstruktur an Grenzflächen wollen die Stuttgarter Metallforscher noch tiefere Einblicke in die Bildung von kristallinen und amorphen Festkörpern gewinnen.