Schnellprognose der Kristallmorphologie
Die Steuerung der Kristallmorphologie hat entscheidende Bedeutung für die Ausführung der Funktionalität. Das Auftreten unerwünschter Morphologien kann die Produktqualität und Handhabungseigenschaften verschlechtern, und sogar Verstopfungen von Filtern und Rohren verursachen. Mit zunehmendem Wissen über das quantenmechanische Verhalten kann viel Nutzen aus der Kombination der klassischen Kristallwachstumstheorien mit modernen quantenmechanischen Simulationen gezogen werden. Man rief das EU-finanzierte Projekt "Crystal surface simulations" (CRYSURFSIM) ins Leben, um ein einheitliches Modell für modernes Kristallmorphologie-Engineering zu entwickeln. Die erstaunlich vielfältigen Kristallformen, sogar die der gleichen Verbindung, ergeben sich aus den verschiedenen Wachstumsbedingungen, denen sie ausgesetzt sind. Hier ist die freie Oberflächenenergie ein wichtiger antreibender Parameter. Die freie Oberflächenenergie, auch als Oberflächenspannung von Flüssigkeiten bekannt, ist die Differenz zwischen den Energien der Atome an der Oberfläche gegenüber denen im Inneren des Kristalls. Das BVD-Modell (Bindungsvalenzmangel, Bond–Valence Deficiency) kann zur Vorhersage von Oberflächenenergien und der Kristallmorphologie herangezogen werden. CRYSURFSIM nutzte das BVD-Modell, um die Lücke zwischen der klassischen und quantenmechanischen Beschreibung des Kristallwachstums zu überbrücken. Die Wissenschaftler wandten es mit Erfolg zur Beschreibung der Oberflächenenergie häufiger Metallkristallstrukturen an. Die Resultate stimmten mit denen der quantenmechanischen Gittersimulationen und den mit seiner Hilfe prognostizierten Kristallstrukturen überein, die den in der Natur vorzufindenden ähnelten. Der bedeutendste Vorteil des BVD-Modells in Hinsicht auf Gittersimulationen war seine Geschwindigkeit. Eine Anwendung bei Mineralien (insbesondere den Strukturtypen AX und AX2) war eine echte Herausforderung. Während das BVD-Modell sowohl für neutrale als auch geladene Oberflächen geeignet ist, erfordern Gittersimulationen eine "Korrektur" zur Umwandlung geladener in ladungsneutrale Flächen, was eine anspruchsvolle Aufgabe in Bezug auf den Vergleich der Resultate darstellt. Werden jedoch Halogenide, Sulfide und Oxide berücksichtigt, zeigte das BVD-Modell erneut eine klare Übereinstimmung mit Gittersimulationen und mit in der Natur anzutreffenden Morphologien. Das BVD-Modell hat sich als ein schnelles Instrument zur exakten Vorhersage der Morphologie von Kristallen bei minimalem Rechenaufwand erwiesen, wobei eine tragfähige Brücke zwischen makroskopischen quantenmechanischen Kristallbildungsmodellen geschlagen wird. Es bietet Unterstützung für Kristall-Ingenieure, die schnell neuartige Morphologien für spezielle Funktionen in Sektoren wie Biomedizin und Pharmazeutika bis hin zu Dünnschichthalbleitern und Photovoltaik entwickeln wollen. Das wiederum wird bedeutende Auswirkungen auf die Wettbewerbsfähigkeit der EU-Wirtschaft haben.
Schlüsselbegriffe
Kristallmorphologie, quantenmechanisch, Kristalloberfläche, freie Oberflächenenergie, Bindungsvalenzmangel
