Vom Salz bis zum Uhrenquarz: Regelmäßig aufgebaute Stoffe sind allgegenwärtig / Ausstellung zeigt Beispiele Die bizarre Welt der Kristalle

Sprache kann helfen, etwas genau zu beschreiben und zu charakterisieren. Sie kann aber auch in die Irre führen. Belege dafür liefern das Kristallglas und die gläsernen Kristallkugeln, die zum Hellsehen verwendet werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie genau das nicht sind, was ihre Namen vorgeben: kristallin. Gleichwohl sind Kristalle überall zu finden. Um welche faszinierenden, oftmals bizarren Strukturen es sich dabei handelt, veranschaulicht eine Ausstellung im Bremer Haus der Wissenschaft.
08.07.2014, 00:00
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Die bizarre Welt der Kristalle
Von Jürgen Wendler

Sprache kann helfen, etwas genau zu beschreiben und zu charakterisieren. Sie kann aber auch in die Irre führen. Belege dafür liefern das Kristallglas und die gläsernen Kristallkugeln, die zum Hellsehen verwendet werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie genau das nicht sind, was ihre Namen vorgeben: kristallin. Gleichwohl sind Kristalle überall zu finden. Um welche faszinierenden, oftmals bizarren Strukturen es sich dabei handelt, veranschaulicht eine Ausstellung im Bremer Haus der Wissenschaft.

Die Ausstellung, die am Donnerstag um 17 Uhr eröffnet wird, trägt den Titel „Polarisationsfotografie“. Gezeigt werden Bilder kristalliner Stoffe wie beispielsweise Zucker oder Zitronensäure. Aufgenommen wurden sie von dem Fotografen Ralf Kuthe. Sie lenken das Augenmerk auf ein Gebiet, das die Vollversammlung der Vereinten Nationen für so wichtig hält, dass sie das Jahr 2014 zum Jahr der Kristallographie erklärt hat. Die Kristallographie ist die Wissenschaft von den Kristallen.

An der Universität Bremen vertritt Professor Reinhard X. Fischer dieses Fachgebiet. Wie er erklärt, sind Kristalle dadurch gekennzeichnet, dass die Atome oder Moleküle regelmäßig angeordnet sind. Nicht nur fast alle Gesteine, sondern auch beinahe alle anderen festen Stoffe besäßen eine Kristallstruktur. Diamanten, die aus Kohlenstoffatomen aufgebaut sind, gehören ebenso dazu wie der im Haushalt verwendete Zucker und das Salz. Beim Glas hingegen, das sich aus Quarzsand, Soda, Pottasche und Kalk herstellen lässt, ist der Aufbau ungeordnet. Glas besitzt ebenso wenig eine Kristallstruktur wie beispielsweise Holz.

Aus Erdöl wird Benzin

Eine bedeutende Rolle spielen Kristalle auch in der Technik. Fischer nennt in diesem Zusammenhang unter anderem die sogenannten Piezokristalle der Quarzuhren. Der Quarz mit seiner Kristallstruktur wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung zum Schwingen angeregt. Pro Sekunde gibt es eine bestimmte Anzahl von Schwingungen. Das heißt: Der Schwingquarz liefert als Taktgeber die Grundlage für die Bestimmung der Zeit.

Ein anderes Beispiel für die technische Nutzung von Kristallen liefern Zeolithe, natürliche oder auch künstlich hergestellte Minerale mit Hohlräumen. Laut Fischer werden Zeolithe unter anderem genutzt, um Erdölmoleküle in Benzinmoleküle zu verwandeln. Die Erdölmoleküle würden in die Hohlräume geleitet, dort an bestimmten Stellen festgehalten und aufgebrochen. Auch in Waschmitteln kommen Zeolithe zum Einsatz. Dort machen sich Fachleute zunutze, dass bei den Mineralen elektrisch geladene Natriumteilchen, das heißt Natriumionen, locker gebunden sind. Dies ermöglicht einen Ionenaustausch. An die Stelle der Natriumionen treten Kalziumionen aus dem Wasser – mit der Folge, dass dessen Härtegrad abnimmt. Dies hat den Vorteil, dass die Waschmaschine nicht so leicht verkalkt.

Die Tatsache, dass Licht in Kristallen auf eine besondere Weise gebrochen wird, half nach Ansicht mancher Wissenschaftler den Wikingern des Mittelalters bei der Orientierung auf ihren Seereisen. Der Hintergrund: Lichtwellen haben die Eigenschaft, dass sie in unterschiedliche Richtungen schwingen können. Schwingungen in bestimmte Richtungen verbinden Fachleute mit dem Ausdruck Polarisation. Mithilfe der Polarisationsmuster, die die vielen Lichtwellen am Himmel bilden, lässt sich die Position der Sonne auch dann bestimmen, wenn sie hinter Wolken verborgen ist.

Nutzten Wikinger Islandspat?

Wenn Licht Islandspat mit seiner Kristallstruktur durchdringt – eine durchsichtige Form von Kalzit, die in Skandinavien sehr häufig ist –, wird es gespalten, sodass ein Doppelbild entsteht. In welchem Verhältnis die unterschiedliche Helligkeit der beiden Bilder zueinander steht, hängt von der Polarisation des Lichts ab. Das bedeutet: Seefahrer haben die Möglichkeit, einen solchen Stein so lange unterschiedlich auszurichten, bis sie das Verhältnis bekommen, das die Position der Sonne hinter den Wolken verrät. Vermutet wird, dass die Wikinger auf ihren Reisen Islandspat als „Sonnenstein“ genutzt haben. Dieser Ausdruck findet sich in Überlieferungen.

Die Grundlage für die im Haus der Wissenschaft ausgestellten Bilder liefert die Polarisationsmikroskopie. Nach den Worten von Fischer wird das zu untersuchende Material dabei in der Regel von unten beleuchtet. Handelt es sich um einen durchsichtigen Kristall, kann er vom Licht durchdrungen werden. Wichtig ist auch hier die besondere Art der Lichtbrechung, die sogenannte Doppelbrechung, bei der die Lichtbündel in senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel getrennt werden. Um die Effekte sichtbar zu machen, werden Polarisationsfilter eingesetzt. Ein Filter zwischen Lichtquelle und Kristall lässt nur Lichtwellen durch, die in einer bestimmten Richtung schwingen. Unter dem Einfluss des Kristalls ändert sich dann die Schwingungsrichtung. Deshalb ist ein weiterer Filter über dem Kristall um 90 Grad gegenüber dem unteren gedreht. Der Betrachter bekommt dadurch bestimmte Anteile des Lichts zu sehen. Das Ergebnis sind häufig besonders farbenprächtige Bilder.

Die Ausstellung „Polarisationsfotografie“ im Bremer Haus der Wissenschaft, Sandstr. 4/5, dauert bis zum 11. September. Das Haus ist montags bis freitags von 10 bis 19 und sonnabends von 10 bis 14 Uhr geöffnet.

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