Was sind Quasikristalle und warum sie die Wissenschaft auf den Kopf stellten

Die Kristalle, die es nicht geben dürfte

Jeder Chemiestudent lernt eine Grundregel: Kristalle sind Festkörper, deren Atome sich in sauberen, vorhersagbaren Mustern wiederholen. Diese Muster können eine zwei-, drei-, vier- oder sechsachsige Drehsymmetrie aufweisen – aber niemals eine fünfachsige. Dies ist eines der ältesten Prinzipien der Kristallographie, mathematisch bewiesen und seit über einem Jahrhundert akzeptiert.

Dann, am Morgen des 8. April 1982, blickte der israelische Wissenschaftler Dan Shechtman durch ein Elektronenmikroskop auf eine schnell abgekühlte Aluminium-Mangan-Legierung und sah etwas Unmögliches: zehn helle Punkte, die in einem Kreis angeordnet und perfekt voneinander beabstandet waren. Das Muster wies eine fünfachsige Symmetrie auf – eine Konfiguration, die es der klassischen Theorie zufolge in keinem geordneten Festkörper geben konnte.

Er hatte Quasikristalle entdeckt, und die Erkenntnis sollte schließlich eine grundlegende Annahme in der Materialwissenschaft umstoßen.

Wie Quasikristalle funktionieren

Ein traditioneller Kristall – Kochsalz, Diamant, Quarz – besteht aus Atomen, die in einem sich wiederholenden Gitter angeordnet sind. Stellen Sie sich vor, Sie verlegen einen Badezimmerboden mit quadratischen Fliesen: Das Muster ist perfekt periodisch und erstreckt sich in jeder Richtung mit exakter Wiederholung. Quasikristalle brechen diese Regel. Ihre Atome sind hochgeordnet, wiederholen sich aber niemals in einem vorhersagbaren Zyklus.

Die nächstliegende Analogie im Alltag ist eine Penrose-Parkettierung, ein Muster, das der Mathematiker Roger Penrose in den 1970er Jahren erfunden hat. Penrose-Parkettierungen verwenden zwei unterschiedlich geformte Fliesen, die so zusammenpassen, dass sie eine Oberfläche vollständig bedecken, wobei die fünfachsige Symmetrie erhalten bleibt, die genaue Anordnung sich aber nie wiederholt, egal wie weit sie sich erstreckt. Quasikristalle tun dasselbe in drei Dimensionen, auf atomarer Ebene.

Dies verleiht Quasikristallen ihr definierendes Merkmal: Sie erzeugen scharfe, klare Beugungsmuster, wenn sie mit Röntgenstrahlen oder Elektronen beschossen werden – ein Beweis für eine Fernordnung –, aber diese Muster zeigen „verbotene“ Symmetrien wie fünf-, acht-, zehn- oder zwölfachsige Drehungen, die kein periodischer Kristall besitzen kann.

Eine Entdeckung, die die wissenschaftliche Welt ablehnte

Shechtmans Entdeckung stieß auf heftigen Widerstand. Die Vorstellung eines geordneten Festkörpers ohne Periodizität widersprach über 150 Jahren etablierter Wissenschaft. Der zweifache Nobelpreisträger Linus Pauling erklärte bekanntlich: „Es gibt keine Quasikristalle, nur Quasi-Wissenschaftler.“ Shechtman wurde gebeten, seine Forschungsgruppe zu verlassen.

Es dauerte mehr als zwei Jahre, bis seine ersten Arbeiten zu diesem Thema veröffentlicht wurden. Nach und nach reproduzierten andere Labore auf der ganzen Welt die Ergebnisse, und die theoretischen Physiker Dov Levine und Paul Steinhardt zeigten, dass Penrose-ähnliche Parkettierungen die atomare Struktur erklären könnten. Das Blatt wendete sich. Im Jahr 2011 erhielt Shechtman den Nobelpreis für Chemie für seine Entdeckung, die laut Nobelkomitee „ein neues Prinzip für die Packung von Atomen und Molekülen enthüllte“ und einen Paradigmenwechsel innerhalb des Fachgebiets erzwang.

Eigenschaften und Anwendungen

Quasikristalle bilden sich am häufigsten in Aluminiumlegierungen in Kombination mit Metallen wie Eisen, Kobalt, Nickel oder Mangan. Sie sind in der Regel extrem hart, haben eine sehr geringe Oberflächenreibung und sind korrosionsbeständig – Eigenschaften, die trotz der bisher begrenzten kommerziellen Nutzung im großen Maßstab das Interesse von Ingenieuren geweckt haben.

Zu den praktischen Anwendungen gehören Beschichtungen für chirurgische Instrumente und Rasierklingen (wo Härte und Korrosionsbeständigkeit wichtig sind), Komponenten in LED-Beleuchtung und experimentelle Antihaftbeschichtungen. Forscher haben auch ihr Potenzial für hocheffiziente Solarzellen und fortschrittliche optische Geräte untersucht.

Die NASA finanziert die Quasikristallforschung durch ein Team der Colorado School of Mines, das eine Methode zur gezielten Züchtung von Quasikristallen mithilfe von Magnet- und elektrischen Feldern entwickelt hat – ein Durchbruch, der auf dem Cover von Nature Physics veröffentlicht wurde. Die NASA sieht Potenzial in selbstorganisierenden quasikristallinen Materialien für Weltraumhabitate, Satellitenkomponenten und fortschrittliche Sensoren.

Von Materialien zur Struktur der Raumzeit

Anfang 2026 erweiterten Physiker das Quasikristallkonzept weit über Metalllegierungen hinaus. Eine theoretische Studie von Forschern des Perimeter Institute in Kanada zeigte, dass quasikristalline Strukturen in der Raumzeit selbst existieren könnten – dem vierdimensionalen Gefüge des Universums, das durch Einsteins Relativitätstheorie beschrieben wird. „Die Raumzeit, in der wir leben, könnte ein Quasikristall sein“, sagte Co-Autor Sotiris Mygdalas.

Unabhängig davon schufen Experimentalphysiker an der Washington University in St. Louis einen Zeitquasikristall – eine Materiephase, deren Energiezustände in einem geordneten, aber sich niemals wiederholenden Muster durch die Zeit oszillieren, ohne Energieverlust.

Diese Entwicklungen deuten darauf hin, dass Quasikristalle nicht nur eine Kuriosität der Metallurgie sind, sondern etwas Tiefes darüber widerspiegeln könnten, wie sich die Natur selbst organisiert – von Atomen in einer Legierung bis hin zur Geometrie des Kosmos.