Im Herzen der Materie: Die Faszination der Kristallstruktur von Metallen

Metalle besitzen eine kristalline Struktur, die aus einer periodischen Anordnung von Atomen besteht. Diese geordnete Struktur wird auch als Gitterstruktur bezeichnet[1]. Kristalle sind allgemein räumlich periodische Anordnungen von Atomen, Ionen oder Molekülen, die in dieser Struktur einen festen Körper bilden[2].

Gittertypen von Metallen

Es gibt verschiedene Gittertypen, die in Metallen vorkommen. Die wichtigsten sind das kubisch-flächenzentrierte (kfz), das kubisch-raumzentrierte (krz) und das hexagonal dichtest-gepackte Gitter (hdp)[3].

Das kubisch-flächenzentrierte Gitter ist gekennzeichnet durch Atome, die sich an den Ecken und in der Mitte jeder Fläche einer kubischen Elementarzelle befinden. Das kubisch-raumzentrierte Gitter hat zusätzlich zu den Eckatomen ein weiteres Atom in der Mitte der Elementarzelle. Typische Vertreter solcher kubisch-raumzentrierten Strukturen sind unter anderem die Metalle Eisen, Chrom, Molybdän, Vanadium und Wolfram[3].

Das hexagonal dichtest-gepackte Gitter ist eine andere wichtige Struktur, die in Metallen wie Titan, Kobalt, Zink und Magnesium vorkommt. In diesem Gittertyp ist ein Atom von insgesamt 12 direkten Nachbaratomen umgeben[3].

Bedeutung der Kristallstruktur für die Werkstofftechnik

Das Wissen über die Kristallstruktur von Metallen ist in der Werkstofftechnik von großer Bedeutung. Die Gitterstruktur beeinflusst die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Metallen, wie ihre Festigkeit, Duktilität (Verformbarkeit), Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit[5]. Daher ist das Verständnis der Kristallstruktur von Metallen ein wichtiger Aspekt in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik[4][8].

Nahordnung und Fernordnung

Die Begriffe Nahordnung und Fernordnung beschreiben Aspekte der Anordnung der Atome oder Moleküle in einem Material. Nahordnung bezieht sich auf die räumliche Anordnung der nächsten, vielleicht noch übernächsten Teilchen des Stoffes. Fernordnung hingegen bezeichnet eine sich wiederholende Anordnung der Teilchen über zahlreiche Teilchen hinweg. Kristalle, einschließlich der kristallinen Struktur von Metallen, weisen eine Fernordnung auf[6].

Polymorphe Metalle

Einige Metalle können bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Gittertypen aufweisen. Diese Metalle werden als polymorphe Metalle bezeichnet[7].

Polymorphe Metalle sind Metalle, die die Fähigkeit haben, verschiedene Kristallstrukturen oder Modifikationen anzunehmen[26][29]. Dieses Phänomen wird als Polymorphie bezeichnet und ist in den Werkstoffwissenschaften und der Mineralogie bekannt[27]. Polymorphie bezieht sich auf das Auftreten eines chemischen Elements, einer chemischen Verbindung oder eines Minerals in mehreren Kristallformen[26].

Ein Beispiel für ein polymorphes Metall ist Eisen, das die Strukturen α-Eisen (kubisch raumzentriert) und γ-Eisen (kubisch flächenzentriert) aufweisen kann[28]. Diese verschiedenen Kristallstrukturen können sich durch Einflüsse wie Druck und/oder Temperatur bilden[27].

Es ist wichtig zu beachten, dass obwohl verschiedene Modifikationen eines polymorphen Metalls die gleiche chemische Struktur besitzen, sie sich in den physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Löslichkeit, Schmelzpunkt, Wasseraufnahmefähigkeit, Dichte und Wärmekapazität, unterscheiden können[29]. Diese Unterschiede können das Verhalten und die Verarbeitbarkeit des Metalls beeinflussen[29].

Damit lässt sich sagen, dass polymorphe Metalle Metalle sind, die in der Lage sind, verschiedene Kristallstrukturen anzunehmen, und diese Fähigkeit kann ihre physikalischen Eigenschaften und ihr Verhalten beeinflussen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kristallstruktur von Metallen ein komplexes und faszinierendes Gebiet ist, das einen tiefen Einblick in die Eigenschaften und das Verhalten von Metallen bietet. Es ist ein zentraler Aspekt in der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik und spielt eine entscheidende Rolle in vielen technischen Anwendungen.

 

Quellen