Struktursteuerung

1. Struktursteuerung

2. Gliederung Symmetrien in der Natur Biomineralisierung Polymorphie Kristallmorphologie

3. Symmetrien in der Natur Der Symmetriebegriff muss bei Organismen viel weiter gefasst werden als in der Mineralogie. Unterscheidung zwischen Metamerie, Radiär- symmetrie und der bilateralen Symmetrie

4. Metamerie Metamerie ˜ Segmentierung Wiederholung gleicher Elemente entlang einer Linie vor allem bei Organismen (Pflanzen und Tieren) zu erkennen auch in mikroskopischen und molekularen Dimensionen (Mikrofilamente) Die Metamerie (Segmentierung) entspricht der Translation und verkörpert die Wiederholung gleicher Elemente entlang einer Linie. Diese Art wird häufig im Organismenreich beobachtet, zum Beispiel bei Pflanzen oder Würmern. Bei vielen Pflanzen wachsen die Blätter versetzt entlang einer Linie, teilweise auch noch in einem festen Winkel versetzt am Spross. Dies stellt die effektivste Art zu wachsen dar, weil die einzelnen Blätter dadurch ausreichend Licht und Platz erhalten oder ihre Samen oder Blütenstände so eng gepackt sind, dass sie den ihnen zur Verfügung stehenden Platz optimal ausnutzen können. Mikrofilamente sind fadenförmige Proteinstrukturen und weisen eine metamere Struktur auf molekularer Ebene.Die Metamerie (Segmentierung) entspricht der Translation und verkörpert die Wiederholung gleicher Elemente entlang einer Linie. Diese Art wird häufig im Organismenreich beobachtet, zum Beispiel bei Pflanzen oder Würmern. Bei vielen Pflanzen wachsen die Blätter versetzt entlang einer Linie, teilweise auch noch in einem festen Winkel versetzt am Spross. Dies stellt die effektivste Art zu wachsen dar, weil die einzelnen Blätter dadurch ausreichend Licht und Platz erhalten oder ihre Samen oder Blütenstände so eng gepackt sind, dass sie den ihnen zur Verfügung stehenden Platz optimal ausnutzen können. Mikrofilamente sind fadenförmige Proteinstrukturen und weisen eine metamere Struktur auf molekularer Ebene.

5. Radiärsymmetrie Radiärsymmetrie ˜ Drehsymmetrie Wiederholungseinheiten in einer Drehung um eine feste Achse angeordnet lässt sich sowohl an Pflanzen (Blüten) als auch an Tieren (Stachelhäuter) zeigen Die Radiärsymmetrie enthält die Rotation und zeigt Objekte die sich durch Drehung einer Achse um einen gewissen Winkel wieder auf sich selbst abbilden lassen. Diese Drehachse verläuft durch den Schwerpunkt des Objektes. Radiärsymmertrie lässt sich häufig bei Blüten zeigen, bei denen die einzelnen Blütenblätter durch Drehung aufeinander abgebildet werden können. Auch bei Tieren, wie Nesseltieren (Seeanemonen und Korallen) oder Stachelhäutern (Seesterne) kann man Radiärsymmetrie erkennen. Die Radiärsymmetrie enthält die Rotation und zeigt Objekte die sich durch Drehung einer Achse um einen gewissen Winkel wieder auf sich selbst abbilden lassen. Diese Drehachse verläuft durch den Schwerpunkt des Objektes. Radiärsymmertrie lässt sich häufig bei Blüten zeigen, bei denen die einzelnen Blütenblätter durch Drehung aufeinander abgebildet werden können. Auch bei Tieren, wie Nesseltieren (Seeanemonen und Korallen) oder Stachelhäutern (Seesterne) kann man Radiärsymmetrie erkennen.

6. Bilaterale Symmetrie Bilaterale Symmetrie ˜ Spiegelsymmetrisch für die meisten Tiere und auch für den Menschen typisch viele radiärsymmetrische Blüten sind auch Bilateral Die bilaterale Symmetrie enthält die Spiegelung des Objektes an einer Symmetrieachse. Viele Blütenarten und nahezu alle Tiere (etwa 95%) sind bilateral symmetrisch.Die bilaterale Symmetrie enthält die Spiegelung des Objektes an einer Symmetrieachse. Viele Blütenarten und nahezu alle Tiere (etwa 95%) sind bilateral symmetrisch.

7. Der Goldene Schnitt Der Goldene Schnitt und Goldene Winkel ist eine mathematische Größe die auch in der Natur angetroffen wird. Goldener Schnitt bei den Proportionen des Menschen Goldener Winkel beim Blattwachstum Der Goldene Schnitt und der Goldene Winkel ist in der Natur in vielen Objekten wiederzufinden. Streckenverhältnisse (Goldene Zahl: 1,6180...) im Goldenen Schnitt werden in der Kunst und Architektur oft als ideale Proportion und als Inbegriff von Ästhetik und Harmonie angesehen. Darüber hinaus tritt das Verhältnis auch in der Natur in Erscheinung. Der Goldene Winkel lässt sich dann aus dem Goldenen Schnitt herleiten (?= 360°- 1,618*360°=137,5°) und ist in der Natur oft zu sehen. Häufig wachsen Blätter an einem Pflanzenstiel mit einer Parallelverschiebung von 137,5°. Der Goldene Schnitt ist in Blattformen aber auch in den Proportionen des menschlichen Körpers enthalten.Der Goldene Schnitt und der Goldene Winkel ist in der Natur in vielen Objekten wiederzufinden. Streckenverhältnisse (Goldene Zahl: 1,6180...) im Goldenen Schnitt werden in der Kunst und Architektur oft als ideale Proportion und als Inbegriff von Ästhetik und Harmonie angesehen. Darüber hinaus tritt das Verhältnis auch in der Natur in Erscheinung. Der Goldene Winkel lässt sich dann aus dem Goldenen Schnitt herleiten (?= 360°- 1,618*360°=137,5°) und ist in der Natur oft zu sehen. Häufig wachsen Blätter an einem Pflanzenstiel mit einer Parallelverschiebung von 137,5°. Der Goldene Schnitt ist in Blattformen aber auch in den Proportionen des menschlichen Körpers enthalten.

8. Biomineralisierung Bildung von mineralischen Produkten durch lebende Organismen Entwicklung seit Beginn der Evolution über 60 verschiedene Biomineralien 50 Prozent sind Calciummineralien vielfältige Anwendung für Skelett, Schutz, Zähne oder auch zur Orientierung (Magnetit) Kristallisation unter Normalbedingungen, bei denen die erhaltenen Strukturen in der synthetischen Festkörperchemie nicht erhalten werden können. Bei der Biomineralisation werden mineralische Produkte durch lebende Organismen erzeugt. Die Zahl der Biominealien ist sehr groß (über 60) etwa 50% sind Calciummineralien, was unter anderem daran liegt, dass der Calciumgehalt im Meereswasser sehr hoch ist und Calcium in Zellen oft als Botenstoff genutzt wird. Auch eine Biomineralisation von Eisenoxid-Einkristallen (Magnetit) ist möglich, diese werden von Bakterien, Algen und anderen Tieren zur Bestimmung des Erdmagnetfelds herangezogen und dienen damit der Orientierung. Die Kristallisation von den Mineralien kann von den Organismen meistens genau kontrolliert werden was dazu führt, dass die entstehenden Mineralien ideale mechanische Eigenschaften und eine vielfältige Verwendung aufweisen. Wie zum Beispiel zum Schutz (Panzer, Schale), Körper-Stabilisierung (Skelett) oder als Zähne.Bei der Biomineralisation werden mineralische Produkte durch lebende Organismen erzeugt. Die Zahl der Biominealien ist sehr groß (über 60) etwa 50% sind Calciummineralien, was unter anderem daran liegt, dass der Calciumgehalt im Meereswasser sehr hoch ist und Calcium in Zellen oft als Botenstoff genutzt wird. Auch eine Biomineralisation von Eisenoxid-Einkristallen (Magnetit) ist möglich, diese werden von Bakterien, Algen und anderen Tieren zur Bestimmung des Erdmagnetfelds herangezogen und dienen damit der Orientierung. Die Kristallisation von den Mineralien kann von den Organismen meistens genau kontrolliert werden was dazu führt, dass die entstehenden Mineralien ideale mechanische Eigenschaften und eine vielfältige Verwendung aufweisen. Wie zum Beispiel zum Schutz (Panzer, Schale), Körper-Stabilisierung (Skelett) oder als Zähne.

9. Biomineralisierung: Verbundstoffe Verbundstoffe sind Mineralien die zum Skelettaufbau oder zum Aufbau äußeren Schutzes (Schalen) verwendet werden hochentwickelte Skelettstrukturen: Calciumcarbonat, Hydroxylapatit und org. Komponenten Meerestiere: teilweise Skelett- strukturen aus amorphem Siliciumdioxid Die „Verbundstoffe“ sind im Blickpunkt der Erforschung der Biomineralisation. Verbundstoffe werden vor allem zum Aufbau der Skelette der Organismen oder der Zähne oder Schalen benötigt. Skelette aus amorphem Siliciumdioxid werden vor allem von Meerestieren gebildet die Photosynthese betreiben.Die „Verbundstoffe“ sind im Blickpunkt der Erforschung der Biomineralisation. Verbundstoffe werden vor allem zum Aufbau der Skelette der Organismen oder der Zähne oder Schalen benötigt. Skelette aus amorphem Siliciumdioxid werden vor allem von Meerestieren gebildet die Photosynthese betreiben.

10. Biomineralisierung Einkristalle durch Biomineralisation enorme mechanische Eigenschaften möglich Seeigel: jedes Skelettelement geht aus einem Kristallkeim hervor (3000mal härter) Amorphes Calciumcarbonat zu stabilem Kristall formen In Organismen können durch Biomineralisation auch Einkristalle gebildet werden. Die Möglichkeiten der Steuerung führen dann zu einer erhöhten mechanischen Belastbarkeit, weil nahezu keine Strukturfehler vorhanden sind. Dadurch sind die Einkristalle 3000mal härter als gewöhnliches Calciumcarbonat. Bei Seeigeln geht jedes Skelettelement aus einem einzigen Calcit-Kristallkeim hervor. Diese werden in Vesikeln gebildet, in denen die Keimbildung erfolgt und schließlich der Einkristall gebildet wird. Dabei können Plättchen der Skelettstruktur mit einer Größe von einem Zentimeter entstehen, aber auch die Stacheln mit einer Länge von bis zu 25 cm. Vermutlich bestimmt die Form des Vesikels die Wachstumsrichtung. Es wurde herausgefunden, dass Seeigel zunächst amorphes Calciumcarbonat mit ungeordneten Molekülen produzieren. Innerhalb weniger Stunden formieren sich die Moleküle zu einem sehr leichten, aber gleichzeitig stabilen Kristall mit regulärer Gitterstruktur. Dadurch sind die Seeigel auch in der Lage, abgebrochene Stacheln schnell wieder nachwachsen zu lassen. In Organismen können durch Biomineralisation auch Einkristalle gebildet werden. Die Möglichkeiten der Steuerung führen dann zu einer erhöhten mechanischen Belastbarkeit, weil nahezu keine Strukturfehler vorhanden sind. Dadurch sind die Einkristalle 3000mal härter als gewöhnliches Calciumcarbonat. Bei Seeigeln geht jedes Skelettelement aus einem einzigen Calcit-Kristallkeim hervor. Diese werden in Vesikeln gebildet, in denen die Keimbildung erfolgt und schließlich der Einkristall gebildet wird. Dabei können Plättchen der Skelettstruktur mit einer Größe von einem Zentimeter entstehen, aber auch die Stacheln mit einer Länge von bis zu 25 cm. Vermutlich bestimmt die Form des Vesikels die Wachstumsrichtung. Es wurde herausgefunden, dass Seeigel zunächst amorphes Calciumcarbonat mit ungeordneten Molekülen produzieren. Innerhalb weniger Stunden formieren sich die Moleküle zu einem sehr leichten, aber gleichzeitig stabilen Kristall mit regulärer Gitterstruktur. Dadurch sind die Seeigel auch in der Lage, abgebrochene Stacheln schnell wieder nachwachsen zu lassen.

11. Biomineralisierung Skelettaufbau bei Seeschwämmen mit amorphem Siliciumdioxid Schwammnadeln können ebenfalls aus SiO2 gebildet werden schichtartiger Aufbau optische Eigenschaften wie bei künstlichen Lichtleitern aus Glasfaser Bei Seeschwämmen erfolgt der Skelettaufbau durch amorphes Siliciumdioxid. Die Seeschwämme können neben dem Skelett auch lange Schwammnadeln ausbilden. Diese bestehen zu 85% aus Silikat, 12% aus Wasser, 3% aus anderen Elementen und haben einen laminaren Aufbau. Diese Schwammnadeln besitzen ernome optische Eigenschaften, die oftmals mit den künstlichen Lichtleitern aus Glasfaser verglichen werden. Die natürliche Nadel hat im Vergleich zu der künstlichen Faser die Vorteile, dass sie eine höhere mechanische Stabilität besitzt und bei niedrigen Temperaturen hergestellt wird. Diese Eigenschaften sind für die kommerzielle Nutzung und Produktion von optischen Leitern interessant und können helfen, diese nach dem Vorbild der Natur zu verbessern. Bei Seeschwämmen erfolgt der Skelettaufbau durch amorphes Siliciumdioxid. Die Seeschwämme können neben dem Skelett auch lange Schwammnadeln ausbilden. Diese bestehen zu 85% aus Silikat, 12% aus Wasser, 3% aus anderen Elementen und haben einen laminaren Aufbau. Diese Schwammnadeln besitzen ernome optische Eigenschaften, die oftmals mit den künstlichen Lichtleitern aus Glasfaser verglichen werden. Die natürliche Nadel hat im Vergleich zu der künstlichen Faser die Vorteile, dass sie eine höhere mechanische Stabilität besitzt und bei niedrigen Temperaturen hergestellt wird. Diese Eigenschaften sind für die kommerzielle Nutzung und Produktion von optischen Leitern interessant und können helfen, diese nach dem Vorbild der Natur zu verbessern.

12. Biomineralisierung Struktursteuerung der Biomineralien in den Organismen durch Peptide oder andere anwesende Stoffe binden von anorganischen Festkörpern und Steuerung der Keimbildung sowie Morphologie In den Organismen können die entstehenden Biomineralien auf verschiedene Weisen gesteuert und kontrolliert werden. Die komplette Kristallmorphologie kann sich durch anwesende Stoffe, wie zum Beispiel Peptide, ändern. Manche Peptide können anorganische Festkörper selektiv binden, ihre Zusammenlagerung organisieren und die Keimbildung anorganischer Nanopartikel regulieren. Das Peptid Pelovaterin (isoliert aus Eierschalen von chinesischen Weichschildkröten) kontroliert zum Beispiel die Bildung einer metastabilen Vaterit-Phase, wobei CaCO3 -Kristalle verschiedener Morphologien durch unterschiedliche Peptidkonzentrationen aufwachsen (Abbildung). Bei geringen Peptidkonzentrationen entstehen blumenförmige Vateritkristalle und mit zunehmender Konzentration entstehen kugelförmige Partikel. In den Organismen können die entstehenden Biomineralien auf verschiedene Weisen gesteuert und kontrolliert werden. Die komplette Kristallmorphologie kann sich durch anwesende Stoffe, wie zum Beispiel Peptide, ändern. Manche Peptide können anorganische Festkörper selektiv binden, ihre Zusammenlagerung organisieren und die Keimbildung anorganischer Nanopartikel regulieren. Das Peptid Pelovaterin (isoliert aus Eierschalen von chinesischen Weichschildkröten) kontroliert zum Beispiel die Bildung einer metastabilen Vaterit-Phase, wobei CaCO3 -Kristalle verschiedener Morphologien durch unterschiedliche Peptidkonzentrationen aufwachsen (Abbildung). Bei geringen Peptidkonzentrationen entstehen blumenförmige Vateritkristalle und mit zunehmender Konzentration entstehen kugelförmige Partikel.

13. Biomineralisierung Kristallwachstum auf einer organischen Matrix wird durch die Endgruppen gesteuert Alkylthiole mit anionischen Endgruppen auf Metalloberfläche Kristallausrichtung stimmt mit den Endgruppen überein Übereinstimmung mit der Kristallstruktur führt zu bevorzugtem Wachstum Um die anorganischen Mineralien auf der organischen Matrix zu formieren benötigt man eine Basis die auch die Morphologie des Kristalls steuert. Eine Möglichkeit ist die Biomineralisierung von Calciumcarbonat auf so genannten self-assembling monolayers (SAMs). Als Matrix dienen hier Gold- oder Silberoberflächen auf denen sich Alkylthiole befinden, die durch ihre Carboxylat-, Sulfat-, Phosphat- oder Hydroxy-Endgruppen ein Kristallwachstum induzieren können. In den beiden Fällen in der Abbildung stimmen die Positionen der Carboxylatgruppen im SAM sehr gut mit denen der Carbonatgruppen im Kristall überein. In beiden Fällen handelt es sich um Calcit-Kristalle mit unterschiedlicher Ausrichtung durch die Bindungswinkel der Alkylthiole auf den Metalloberflächen. Je besser die Struktur des Minerals von der organischen Oberfläche imitiert wird, desto eher wird die Kristallisation darauf bevorzugt.Um die anorganischen Mineralien auf der organischen Matrix zu formieren benötigt man eine Basis die auch die Morphologie des Kristalls steuert. Eine Möglichkeit ist die Biomineralisierung von Calciumcarbonat auf so genannten self-assembling monolayers (SAMs). Als Matrix dienen hier Gold- oder Silberoberflächen auf denen sich Alkylthiole befinden, die durch ihre Carboxylat-, Sulfat-, Phosphat- oder Hydroxy-Endgruppen ein Kristallwachstum induzieren können. In den beiden Fällen in der Abbildung stimmen die Positionen der Carboxylatgruppen im SAM sehr gut mit denen der Carbonatgruppen im Kristall überein. In beiden Fällen handelt es sich um Calcit-Kristalle mit unterschiedlicher Ausrichtung durch die Bindungswinkel der Alkylthiole auf den Metalloberflächen. Je besser die Struktur des Minerals von der organischen Oberfläche imitiert wird, desto eher wird die Kristallisation darauf bevorzugt.

14. Biomineralisierung Vesikel: Inhibitoren in der Außenhülle der flexiblen Bläschen treten in chemische Wechselwirkung und verzögern das Wachstum Änderung der Morphologie durch Konzentrationsänderung Einbau von organischer Matrix ändert die mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum gewöhnlichen Mineral Wenn Kristalle in Vesikeln gebildet werden ist der einfache physikalische Kontakt mit der Außenhülle des flexiblen Bläschens nicht ausreichend um die Wachstumsrichtung des Kristalls zu beeinflussen. Deswegen sind in der flexiblen Hülle Inhibitoren enthalten die dann eine chemische Wechselwirkung hervorrufen und an dieser Kontaktstelle das Kristallwachstum aufhalten. Solche Inhibitoren (meist Polymere) absorbieren selektiv auf bestimmten Kristallebenen an Gitterstellen, an denen ein mit dem Substratmolekül identischer Teil des Moleküls eingefügt werden kann. Der Rest des Inhibitormoleküls steht dann von der Oberfläche ab und verzögert das Wachstum in dieser Richtung. Eine Änderung des pH-Wertes und der Ionenkonzentration führt auch zu unterschiedlicher Kristallmorphologie. Einbau von organischen Komponenten kann die mechanischen Eigenschaften stark verändern. Nacre (Abbildung) enthält organische Matrix (Proteine und Polysaccharide) und hat ist tausendmal Härter als gewöhnliches Aragonit. Wenn Kristalle in Vesikeln gebildet werden ist der einfache physikalische Kontakt mit der Außenhülle des flexiblen Bläschens nicht ausreichend um die Wachstumsrichtung des Kristalls zu beeinflussen. Deswegen sind in der flexiblen Hülle Inhibitoren enthalten die dann eine chemische Wechselwirkung hervorrufen und an dieser Kontaktstelle das Kristallwachstum aufhalten. Solche Inhibitoren (meist Polymere) absorbieren selektiv auf bestimmten Kristallebenen an Gitterstellen, an denen ein mit dem Substratmolekül identischer Teil des Moleküls eingefügt werden kann. Der Rest des Inhibitormoleküls steht dann von der Oberfläche ab und verzögert das Wachstum in dieser Richtung. Eine Änderung des pH-Wertes und der Ionenkonzentration führt auch zu unterschiedlicher Kristallmorphologie. Einbau von organischen Komponenten kann die mechanischen Eigenschaften stark verändern. Nacre (Abbildung) enthält organische Matrix (Proteine und Polysaccharide) und hat ist tausendmal Härter als gewöhnliches Aragonit.

15. Kristallmorphologie Kristallmorphologie: beschreibt die Form eines Kristalls äußere Symmetrie: Konsequenz der inneren Struktur Kristalle mit gleicher inneren Struktur können durch äußere Einwirkungen unterschiedliche Strukturen haben Kristall: regelmäßige Anordnung von Atomen, Ionen, Molekülen Kristallgitter: regelmäßige Anordnung von Punkten mit gleicher Umgebung Die Kristallmorpholgie beschreibt allgemein die Form eines Kristalls, der aus geometrisch bestimmten Flächen, Kanten und Ecken besteht. Die äußere Symmetrie eines Kristalls ist eine Konsequenz der inneren Struktur der Kristalle. Allerdings können Kristalle mit gleicher inneren Struktur in unterschiedlicher Form „wachsen“. Unter ideal Bedingungen entstehen die normalen Strukturen, durch äußere Einflüsse (Fremdionen, Druck, Temperatur) kann es jedoch auch zu verzerrten Formen kommen. Ein Kristall besitzt eine Anordnung von Untereinheiten (Atomen, Ionen, Moleküle) die in einem dreidimensionalen Motiv wiederholt werden. Ein Kristallgitter ist eine Anordnung von Punkten bei denen jeder Punkt die gleiche Umgebung hat. Jeder Kristall hat ein zugehöriges Kristallgitter. Die Kristallmorpholgie beschreibt allgemein die Form eines Kristalls, der aus geometrisch bestimmten Flächen, Kanten und Ecken besteht. Die äußere Symmetrie eines Kristalls ist eine Konsequenz der inneren Struktur der Kristalle. Allerdings können Kristalle mit gleicher inneren Struktur in unterschiedlicher Form „wachsen“. Unter ideal Bedingungen entstehen die normalen Strukturen, durch äußere Einflüsse (Fremdionen, Druck, Temperatur) kann es jedoch auch zu verzerrten Formen kommen. Ein Kristall besitzt eine Anordnung von Untereinheiten (Atomen, Ionen, Moleküle) die in einem dreidimensionalen Motiv wiederholt werden. Ein Kristallgitter ist eine Anordnung von Punkten bei denen jeder Punkt die gleiche Umgebung hat. Jeder Kristall hat ein zugehöriges Kristallgitter.

16. Kristallmorphologie Gesetz der Winkelkonstanz bei der selben Kristallart Bevorzugung oder Benach- teiligung einzelner Flächen beim Wachstum möglich Anisotropie: die physikalischen Eigenschaften des Kristalls sind durch die Raumgitter richtungsabhängig Je nach Kristallsystem schließen die Kristallflächen charakteristische Winkel ein. Gesetz der Winkelkonstanz: „Alle zur selben Kristallart gehörenden Einzelkristalle schließen zwischen analogen Flächen -gleichen Druck, gleiche Temperatur und chemische Zusammensetzung vorausgesetzt -stets gleiche Winkel ein.“ Durch Konvektionsströme innerhalb der mineralischen Lösung kommt es zur unregelmäßigen Verteilung der aufbauenden Atome und damit zur Bevorzugung oder Benachteiligung einzelner Flächen. Dennoch bleiben die Winkel zwischen den Ebenen des Raumgitters durch das vorbestimmte Kristallsystem zwingend erhalten. Anisotropie: Die physikalischen Eigenschaften sind aufgrund der Raumgitternatur in den Kristallen richtungsabhängig. Ein Stoff ist anisotrop, wenn in ihm physikalische und chemische Kräfte in den verschiedenen Richtungen des Raumes verschiedenartig wirken. Je nach Kristallgittertyp sind z. B. Spaltbarkeit, Härte, Pleochroismus, Zähigkeit, Piezoelektrizität, Lichtbrechung und Glanz in den verschiedenen Richtungen des Raumes ungleich ausgeprägt.Je nach Kristallsystem schließen die Kristallflächen charakteristische Winkel ein. Gesetz der Winkelkonstanz: „Alle zur selben Kristallart gehörenden Einzelkristalle schließen zwischen analogen Flächen -gleichen Druck, gleiche Temperatur und chemische Zusammensetzung vorausgesetzt -stets gleiche Winkel ein.“ Durch Konvektionsströme innerhalb der mineralischen Lösung kommt es zur unregelmäßigen Verteilung der aufbauenden Atome und damit zur Bevorzugung oder Benachteiligung einzelner Flächen. Dennoch bleiben die Winkel zwischen den Ebenen des Raumgitters durch das vorbestimmte Kristallsystem zwingend erhalten. Anisotropie: Die physikalischen Eigenschaften sind aufgrund der Raumgitternatur in den Kristallen richtungsabhängig. Ein Stoff ist anisotrop, wenn in ihm physikalische und chemische Kräfte in den verschiedenen Richtungen des Raumes verschiedenartig wirken. Je nach Kristallgittertyp sind z. B. Spaltbarkeit, Härte, Pleochroismus, Zähigkeit, Piezoelektrizität, Lichtbrechung und Glanz in den verschiedenen Richtungen des Raumes ungleich ausgeprägt.

17. Kristallmorphologie Korrespondenzprinzip: Die Flächen eines Kristall entsprechen den Netzebenen seines Gitters morphologische Erscheinung entspricht der Kristallgestalt Kristallwachstum: Parallelverschiebung der Kristallflächen Korrespondenzprinzip: Die Flächen eines Kristalls entsprechen den Netzebenen seine Gitters. Es besteht eine enge Korrespondenz zwischen der morphologischen Erscheinung und der Struktur von Kristallen. Auch wenn die reale Gestalt der Kristalle häufig von der Idealgestalt abweicht (Verzerrung). Jede Kristallfläche verläuft parallel zu einer Schar von Netzebene. Jede Kristallkante verläuft parallel zu einer Schar von Gittergeraden. Das Kristallwachstum entspricht einer Parallelverschiebung der Flächen des Keims bzw. des Kristalls. Die Abweichung von der idealen Form kommt dadurch zustande, dass die Wachstumsgeschwindigkeit eine anisotrope Kristalleigenschaft ist.Korrespondenzprinzip: Die Flächen eines Kristalls entsprechen den Netzebenen seine Gitters. Es besteht eine enge Korrespondenz zwischen der morphologischen Erscheinung und der Struktur von Kristallen. Auch wenn die reale Gestalt der Kristalle häufig von der Idealgestalt abweicht (Verzerrung). Jede Kristallfläche verläuft parallel zu einer Schar von Netzebene. Jede Kristallkante verläuft parallel zu einer Schar von Gittergeraden. Das Kristallwachstum entspricht einer Parallelverschiebung der Flächen des Keims bzw. des Kristalls. Die Abweichung von der idealen Form kommt dadurch zustande, dass die Wachstumsgeschwindigkeit eine anisotrope Kristalleigenschaft ist.

18. Kristallmorphologie Idealkristall: alle Kristallbausteine müssen exakt der Symmetrie der Raumgruppe gehorchen Realkristall: teils beträchtliche Abweichung von der vollkommenen Ordnung Goldnanopartikel: Änderung der Kristallmorphologie durch Zusatz von CTAB bei der Synthese Idealkristall: Nach der Gittertheorie mussten alle Kristallbausteine dem Prinzip eines Translationsgitters folgen. Alle Bausteine mussten der Symmetrie einer der 230 Raumgruppen gehorchen. Die äquivalenten Punkte einer Punktlage mussten vollständig, und zwar durch Bausteine gleicher Art besetzt sein. Betrachtet man eine größere Zahl von Kristallen, so fällt auf, dass auch Risse und Sprünge vorhanden, dass die Kristallflächen oft nicht vollkommen eben sind. Man sieht, dass der tatsächlich gewachsene Realkristall von der vollkommenen Ordnung beträchtlich abweicht. Alle Abweichungen werden Kristallbaufehler genannt und viele wichtige Eigenschaften der Kristalle beruhen auf Baufehlern, z. B. die Lumineszenz, Diffusion, mechanische Eigenschaften usw. Zudem zuchtet man Kristalle mit bestimmten Verunreinigungen. So beruht die Leitfahigkeit einiger Halbleiter auf Spuren von Verunreinigungen. Goldnanopartikel können durch die Anwesenheit von CTAB (Cetryltrimethylammoniumbromid) dazu gezwungen werden in Stäbchenform statt Kugelform, wie es eigentlich üblich ist, zu wachsen. Dadurch ändern sich die Kristallmorphologie komplett. Nach den kristallographischen Eigenschaften der Goldkeime sollten eigentlich Kugeln, Würfel oder Oktaeder entstehen, aber die Anlagerung von CTAB an den {100}-Flächen der Goldkeime (Seitenflächen) führt zu einer Passivierung der Seitenfacetten und einer Entstehung der Stäbchen.Idealkristall: Nach der Gittertheorie mussten alle Kristallbausteine dem Prinzip eines Translationsgitters folgen. Alle Bausteine mussten der Symmetrie einer der 230 Raumgruppen gehorchen. Die äquivalenten Punkte einer Punktlage mussten vollständig, und zwar durch Bausteine gleicher Art besetzt sein. Betrachtet man eine größere Zahl von Kristallen, so fällt auf, dass auch Risse und Sprünge vorhanden, dass die Kristallflächen oft nicht vollkommen eben sind. Man sieht, dass der tatsächlich gewachsene Realkristall von der vollkommenen Ordnung beträchtlich abweicht. Alle Abweichungen werden Kristallbaufehler genannt und viele wichtige Eigenschaften der Kristalle beruhen auf Baufehlern, z. B. die Lumineszenz, Diffusion, mechanische Eigenschaften usw. Zudem zuchtet man Kristalle mit bestimmten Verunreinigungen. So beruht die Leitfahigkeit einiger Halbleiter auf Spuren von Verunreinigungen. Goldnanopartikel können durch die Anwesenheit von CTAB (Cetryltrimethylammoniumbromid) dazu gezwungen werden in Stäbchenform statt Kugelform, wie es eigentlich üblich ist, zu wachsen. Dadurch ändern sich die Kristallmorphologie komplett. Nach den kristallographischen Eigenschaften der Goldkeime sollten eigentlich Kugeln, Würfel oder Oktaeder entstehen, aber die Anlagerung von CTAB an den {100}-Flächen der Goldkeime (Seitenflächen) führt zu einer Passivierung der Seitenfacetten und einer Entstehung der Stäbchen.

19. Polymorphie Eigenschaft einer Substanz in verschiedenen Formen vorzukommen gleiche atomare Zusammensetzung, unterschiedliche räumliche Struktur Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften unterschiedliche Kristallformen aus verschiedenen LM Die Polymorphie beschreibt die Eigenschaft von verschiedenen Substanzen bei gleicher atomarer Zusammensetzung in unterschiedlicher räumlicher Struktur vorzukommen. Und damit auch mit anderer Kristallmorphologie und anderen Eigenschaften. Diese Unterscheiden sich auch in ihren physikalischen Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Dichte, Löslichkeit, Farbe, etc. Die einfachste Methode Polymorphe herzustellen ist das Fällen aus unterschiedlichen Lösungsmitteln.Die Polymorphie beschreibt die Eigenschaft von verschiedenen Substanzen bei gleicher atomarer Zusammensetzung in unterschiedlicher räumlicher Struktur vorzukommen. Und damit auch mit anderer Kristallmorphologie und anderen Eigenschaften. Diese Unterscheiden sich auch in ihren physikalischen Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Dichte, Löslichkeit, Farbe, etc. Die einfachste Methode Polymorphe herzustellen ist das Fällen aus unterschiedlichen Lösungsmitteln.

20. Polymorphie: Calciumcarbonat Calciumcarbonat: häufigstes Mineral in der Natur kristalline Formen: Calcit, Aragonit und Vaterit amorphes Calciumcarbonat (ACC) Calcit: trigonale Struktur Aragonit: orthorhombische Struktur Vaterit: hexagonale Struktur immer die Zusammensetzung CaCO3 aber unter- schiedliche Anordnungen der Ionen in der Kristallstruktur unterschiedliche physikalische Eigenschaften und Energieinhalt der polymorphen Phasen Calciumcarbonat gehört zu den Mineralien, die in der Natur am häufigsten anzutreffen sind. Es ist ein Polymorph, welches in den kristallinen Formen Calcit, Aragonit und Vaterit, sowie in einer amorphen Form (ACC) vorkommt. Calcit kristallisiert in einer trigonalen Struktur, Aragonit in einer orthorhombischen und Vaterit in einer hexagonalen Struktur. Alle Phasen haben die Zusammensetzung CaCO3 sie unterscheiden sich aber in der Anordnung der Ionen in der Elementarzelle. Dadurch kommt es zu anderen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Löslichkeit oder Härte. Die einzelnen polymorphen Phasen unterscheiden sich auch in ihrem Energieinhalt (unterschiedliche Gitterenergien im Kristall).Calciumcarbonat gehört zu den Mineralien, die in der Natur am häufigsten anzutreffen sind. Es ist ein Polymorph, welches in den kristallinen Formen Calcit, Aragonit und Vaterit, sowie in einer amorphen Form (ACC) vorkommt. Calcit kristallisiert in einer trigonalen Struktur, Aragonit in einer orthorhombischen und Vaterit in einer hexagonalen Struktur. Alle Phasen haben die Zusammensetzung CaCO3 sie unterscheiden sich aber in der Anordnung der Ionen in der Elementarzelle. Dadurch kommt es zu anderen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Löslichkeit oder Härte. Die einzelnen polymorphen Phasen unterscheiden sich auch in ihrem Energieinhalt (unterschiedliche Gitterenergien im Kristall).

21. Polymorphie: Calcit stabilste Form Calciumionen oktaedrisch von Sauerstoff umgeben Calcitkristalle: hohe Doppelbrechung Calcit ist die thermodynamisch stabilste Form von Calciumcarbonat und kristallisiert in einem trigonalen System, bei dem jedes Calciumion von einem leicht verzerrten Oktaeder von Sauerstoffatomen des Carbonations umgeben ist. Charakteristisch für Calcitkristalle ist auch die hohen Doppelbrechung.Calcit ist die thermodynamisch stabilste Form von Calciumcarbonat und kristallisiert in einem trigonalen System, bei dem jedes Calciumion von einem leicht verzerrten Oktaeder von Sauerstoffatomen des Carbonations umgeben ist. Charakteristisch für Calcitkristalle ist auch die hohen Doppelbrechung.

22. Polymorphie: Aragonit Kristallisation im ortho- rhombischen System im Vergleich zu Calcit metastabil durch homogene Fällung stabil unter hohem Druck langsame Umwandlung in Calcit Das Polymorph, welches nach Calcit am stabilsten ist, ist Aragonit. Aragonit kristallisiert in einem orthorhombischen System. Kann durch homogene Fällung hergestellt werden, zum Beispiel durch Carbonatbildung bei Harnstoffhydrolyse. Im Vergleich zu Calcit metastabil. Lässt sich unter hohem Druck stabilisieren, sonst wandelt es sich langsam in Calcit um. Das Polymorph, welches nach Calcit am stabilsten ist, ist Aragonit. Aragonit kristallisiert in einem orthorhombischen System. Kann durch homogene Fällung hergestellt werden, zum Beispiel durch Carbonatbildung bei Harnstoffhydrolyse. Im Vergleich zu Calcit metastabil. Lässt sich unter hohem Druck stabilisieren, sonst wandelt es sich langsam in Calcit um.

23. Polymorphie: Vaterit instabilstes Polymorph Metastabil, schnelle Umwandlung in Calcit oder Aragonit schnelle Fällung aus übersättigter Lösung hexagonales Kristallsystem Das instabilste kristalline Polymorph des Calciumcarbonats ist Vaterit. Vaterit gilt als kristalline, aber doch sehr ungeordnete Modifikation. Vaterit hat eine hexagonale Struktur, bei der sich hexagonal angeordnete CO3-Gruppen mit achtfach koordinierten Calciumionen abwechseln. Vaterit kann durch schnelle Fällung aus einer übersättigten Lösung, unter Zugabe von Additiven wie L-Aspartat, erhalten werden. Vaterit ist metastabil und neigt zur Umwandlung in Aragonit oder Calcit, was jedoch durch die Anwesenheit von Carboxylaten oder Phosphat in der überstehenden Lösung verzögert wird. Sonst wandelt sich Vaterit in Lösung bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden in Calcit um, oder in einer Festkörperreaktion bei einer Temperatur über 450°C.Das instabilste kristalline Polymorph des Calciumcarbonats ist Vaterit. Vaterit gilt als kristalline, aber doch sehr ungeordnete Modifikation. Vaterit hat eine hexagonale Struktur, bei der sich hexagonal angeordnete CO3-Gruppen mit achtfach koordinierten Calciumionen abwechseln. Vaterit kann durch schnelle Fällung aus einer übersättigten Lösung, unter Zugabe von Additiven wie L-Aspartat, erhalten werden. Vaterit ist metastabil und neigt zur Umwandlung in Aragonit oder Calcit, was jedoch durch die Anwesenheit von Carboxylaten oder Phosphat in der überstehenden Lösung verzögert wird. Sonst wandelt sich Vaterit in Lösung bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden in Calcit um, oder in einer Festkörperreaktion bei einer Temperatur über 450°C.

24. Polymorphie: ACC metastabile Phase Umwandlung in Calcit in wässriger Lösung oder über 300 °C Synthese bei niedriger T. Und hohem pH-Wert Organismen: Vorstufe der kristallinen Modifikationen oder als Calciumvorrat Amorphes Calciumcarbonat ist eine metastabile Phase, welche mit variablem Wassergehalt auftritt, der vom Syntheseweg abhängt. ACC ist besser löslich als die kristallinen Modifikationen. Es scheint von zahlreichen Organismen als Vorstufe zu kristallinem Calciumcarbonat oder als Calciumvorrat gebildet zu werden. Als amorph werden Stoffe bezeichnet, die eine flüssigkeitsähnliche Nahordnung haben, bei denen aber keine zeitliche Variation der Position der Moleküle auftritt („eingefrorene Schmelze“ = Gläser). ACC ist instabil und wandelt sich durch Erhitzen auf 300°C in Calcit um. In wässriger Lösung geschieht dies auch bei niedrigen Temperaturen, kann aber durch spezielle Substanzen verhindert werden die die Keimbildung des Calcits verhindern. Synthese aus CaCl2 und Natriumcarbonat bei 5°C und einem pH-Wert von 11,2 bis 13,0.Amorphes Calciumcarbonat ist eine metastabile Phase, welche mit variablem Wassergehalt auftritt, der vom Syntheseweg abhängt. ACC ist besser löslich als die kristallinen Modifikationen. Es scheint von zahlreichen Organismen als Vorstufe zu kristallinem Calciumcarbonat oder als Calciumvorrat gebildet zu werden. Als amorph werden Stoffe bezeichnet, die eine flüssigkeitsähnliche Nahordnung haben, bei denen aber keine zeitliche Variation der Position der Moleküle auftritt („eingefrorene Schmelze“ = Gläser). ACC ist instabil und wandelt sich durch Erhitzen auf 300°C in Calcit um. In wässriger Lösung geschieht dies auch bei niedrigen Temperaturen, kann aber durch spezielle Substanzen verhindert werden die die Keimbildung des Calcits verhindern. Synthese aus CaCl2 und Natriumcarbonat bei 5°C und einem pH-Wert von 11,2 bis 13,0.

25. Polymorphie: Aspirin Form I (a) schon seit Jahren bekannt Form II (b) 2005 aus heißem Acetonitril erhalten geringfügige strukturelle Unterschiede Ein sehr berühmtes Polymorph ist das Arzneimittel Aspririn. Nach Berechnungen im Jahr 2004 wurde 2005 die Form II aus einer Lösung in heißem Acetonitril in Gegenwart von Acetamid erhalten. Beide Formen unterscheiden sich nur geringfügig. Beide Formen enthalten Schichten identischer dimerer Anordnungen mit OH—O-Wasserstoffbrückenbindungen, jedoch unterschiedlich zueinander angeordnet. So entstehen bei Form I durch C-H---O-WW zentrosymmetrische Dimere und bei Form II sind die Schichten so angeordnet, dass die C-H---O-WW Catemere bilden. In Form II sind die Symmetrieelemente (Abbildung) in den (100)-Ebenen durch Translation verschoben, sodass die Catemeren Anordnungen entstehen. Ein sehr berühmtes Polymorph ist das Arzneimittel Aspririn. Nach Berechnungen im Jahr 2004 wurde 2005 die Form II aus einer Lösung in heißem Acetonitril in Gegenwart von Acetamid erhalten. Beide Formen unterscheiden sich nur geringfügig. Beide Formen enthalten Schichten identischer dimerer Anordnungen mit OH—O-Wasserstoffbrückenbindungen, jedoch unterschiedlich zueinander angeordnet. So entstehen bei Form I durch C-H---O-WW zentrosymmetrische Dimere und bei Form II sind die Schichten so angeordnet, dass die C-H---O-WW Catemere bilden. In Form II sind die Symmetrieelemente (Abbildung) in den (100)-Ebenen durch Translation verschoben, sodass die Catemeren Anordnungen entstehen.

26. Polymorphie: Aspirin große Probleme bei der Definition von Aspirin als Polymorph Reinheit von Form II: max. 85% und damit eine Mischung von Schichtanordnung I und II im Einkristall Bei der Erforschung der beiden Formen von Aspirin sind noch viele Fragen zu klären. Rechnerisch soll die Form II die stabilere Modifikation sein, allerdings kann diese im Gegensatz zur Form I nicht mit 100%-iger Reinheit synthetisiert werden, sondern nur als Gemisch mit Form I und einer Reinheit von 85%. Durch die beiden verschiedenen Schichtanordnung in einem Einkristall ist auch die Frage aufgekommen ob hier von Polymorphie gesprochen werden kann.Bei der Erforschung der beiden Formen von Aspirin sind noch viele Fragen zu klären. Rechnerisch soll die Form II die stabilere Modifikation sein, allerdings kann diese im Gegensatz zur Form I nicht mit 100%-iger Reinheit synthetisiert werden, sondern nur als Gemisch mit Form I und einer Reinheit von 85%. Durch die beiden verschiedenen Schichtanordnung in einem Einkristall ist auch die Frage aufgekommen ob hier von Polymorphie gesprochen werden kann.

27. Polymorphie: CuPc Kupferphthalocyanin hat mehrere Polymorphe die sich in ihrer geometrischen Anordnung unterscheiden 10 zum Teil meta- stabile Formen bekannt bei 4 konnte die Struktur aufgeklärt werden Bei dem Pigment Kupferphthalocyanin wurde Polymorphie festgestellt, welche dazu führt, dass bei gleichem Inhaltsstoff unterschiedliche Farben erhalten werden. Durch Additive kann die Synthese hin zu einer der Formen gesteuert werden oder auch eine metastabile Form stabilisiert werden. Mittlerweile wurden in über 60 Jahren zehn Polymorphe von CuPc synthetisiert und davon vier strukturell erforscht. Bei dem Pigment Kupferphthalocyanin wurde Polymorphie festgestellt, welche dazu führt, dass bei gleichem Inhaltsstoff unterschiedliche Farben erhalten werden. Durch Additive kann die Synthese hin zu einer der Formen gesteuert werden oder auch eine metastabile Form stabilisiert werden. Mittlerweile wurden in über 60 Jahren zehn Polymorphe von CuPc synthetisiert und davon vier strukturell erforscht.

28. Polymorphie: CuPc Farbänderung durch Verschiebung der Moleküle zueinander Industrielle Verwendung als Farbe oder Farbfilter in LCD-Displays Die Polymorphie von Kupferphthalocyanin wirkt sich direkt auf die Farbe des Pigments aus. Durch leichte Verschiebung der Systeme gegeneinander kommt es durch veränderte Energieübertragung zu einer anderen Farbe. Die Polymorphe des Kupferphthalocyanins werden sogar industriell verwendet. Das ß-CuPc wird in Druckpatronen als Cyanblau verwendet. Das a-CuPc wird ebenfalls als Farbe verwendet und das e-CuPc als Farbe und als Farbfilter in LCD-Displays.Die Polymorphie von Kupferphthalocyanin wirkt sich direkt auf die Farbe des Pigments aus. Durch leichte Verschiebung der Systeme gegeneinander kommt es durch veränderte Energieübertragung zu einer anderen Farbe. Die Polymorphe des Kupferphthalocyanins werden sogar industriell verwendet. Das ß-CuPc wird in Druckpatronen als Cyanblau verwendet. Das a-CuPc wird ebenfalls als Farbe verwendet und das e-CuPc als Farbe und als Farbfilter in LCD-Displays.