Die Bedeutung der Kristallographie in unserem täglichen Leben

Röntgenbeugungsgerät sind die Hauptinstrumente zur Untersuchung der kristallographischen Eigenschaften von Materie. In diesem Blog werden wir einige Beispiele für die Bedeutung der Kristallographie in unserem täglichen Leben geben.

Viele Stoffe, die in der Natur vorkommen, sind kristallin. Kristalle, die in der Natur als Ergebnis von Vulkanaktivität erscheinen, entstehen unter hohem Druck oder kristallisieren aus Wasser.

Hier sehen Sie schöne Gipskristalle, die sich über Tausende von Jahren tief unter der Erde gebildet haben. Sie wurden vor ein paar Jahren zufällig bei Bergbauaktivitäten in Naica, Mexiko, entdeckt. Diese Kristalle sind außergewöhnlich groß; sie sind meterlang. Beachten Sie die kleine menschliche Figur unten rechts auf dem Bild.

In den meisten Fällen sind die in der Natur gefundenen Kristalliten jedoch viel kleiner. Die meisten Gesteine, Böden und Sände bestehen aus kleinen submillimeter Partikeln wie eisenhaltigen Gesteinen.

Wenn Sie einen Querschnitt eines Gesteinsfragments zur Vorbereitung für das optische Mikroskop herstellen würden, würden Sie die kleinen kristallographischen Domänen in den Gesteinen sehen. Die kristallographischen Eigenschaften solcher Gesteine können mit einem Röntgenbeugungsgerät untersucht werden (XRD) wie dem Empyrean Allzweck-Röntgenbeugungsgerät. Der Empyrean ist für die Analyse von Pulvern, Dünnschichten, Nanomaterialien und festen Objekten gedacht.

Ein einzelner Kristall lenkt Röntgenstrahlen in schöne Beugungsmuster ab. Das Bragg’sche Gesetz bestimmt, bei welchem Winkel ein einzelner Kristall ein Beugungssignal gibt. Auch polykristalline Materialien oder Pulver geben Beugungsmuster. Von den vielen kleinen Kristalliten, die das Pulver enthält, liefern nur die mit der richtigen Orientierung starke Beugungssignale. Da das Beugungssignal von mehreren Kristalliten kommt, kann das Pulverpattern auch zur Bestimmung der Zusammensetzung von Mischungen verwendet werden.

Die rote Spur, die Sie hier sehen, ist ein Diffraktogramm. Es besteht aus vielen Peaks, die als Funktion des Beugungswinkels aufgezeichnet werden. Aus der Winkelposition der Peaks können die verschiedenen Komponenten einer Mischung, auch Phasen genannt, bestimmt werden. Aus der relativen Intensität der Peaks lässt sich die relative Häufigkeit der Phasen berechnen. Ein Pulverpattern ist wie ein einzigartiger Fingerabdruck des Materials; ein solches Diffraktogramm kann auch von festen Objekten wie Gesteinen und Metallen erhalten werden. Diese Objekte bestehen intern aus vielen kleinen Kristalliten und produzieren ihre eigenen einzigartigen Pulverpattern. Pulverdiffraktogramme können für viele der Substanzen, die wir in der Welt um uns herum finden, aufgezeichnet werden. Diese Materialien bestimmen die Qualität unseres täglichen Lebens. Lassen Sie uns einen Blick auf die Bedeutung des Verständnisses der Kristallographie von Pulvern und anderen kristallinen Mischungen werfen.

Zement, ein langweiliges Material?

Zement ist das Hauptbaumaterial für die Gebäude, in denen wir leben, seit den Römerzeiten. Wussten Sie, dass die Verarbeitbarkeit, die Abbindezeit und die Endfestigkeit von Beton durch die kristallographischen Eigenschaften von Zement bestimmt werden? Um genauer zu sein, die Qualität der Gebäude, die wir schaffen, wird durch die kristallographischen Phasenänderungen während der Zementhärtung bestimmt – ein Prozess, der von heutigen Wissenschaftlern noch nicht vollständig verstanden wird!

Zement wird durch das Erhitzen von Kalkstein und anderen Rohstoffen in einem langen Drehofen, dem sogenannten Ofen, hergestellt. Im Ofen durchlaufen die Stoffe bei Temperaturen bis zu 1400 Grad Celsius kristallographische Änderungen, wodurch ein als Klinker bezeichnetes Material entsteht, das anschließend gemahlen und mit anderen Bestandteilen vermischt wird, um Zement zu erzeugen. Die Herstellung von Zement führt zu erheblichen Emissionen von Kohlendioxid, CO₂, einem der für die globale Erwärmung verantwortlichen Gase. Für jedes Kilogramm Zement wird nahezu ein Kilogramm CO₂ produziert, wodurch etwa 5 Prozent der CO₂-Emissionen aus menschlichen Aktivitäten entstehen. Es ist die zweitgrößte Quelle für CO₂-Emissionen nach der Stromerzeugung.

Von der gesamten CO₂-Emission im Zementproduktionsprozess stammen die Mehrheit (60%) aus der Kalkstein-Kalzinierung, 30% aus dem benötigten Brennstoff, um den Ofen zu erhitzen. Die letzten 10% werden für das Mahlen des Klinkers, den Transport des Materials durch die Anlagen usw. benötigt. Versuche, die CO₂-Emission zu reduzieren, konzentrieren sich auf zwei Aspekte:

• Zuerst Zement mit weniger Klinker herstellen. Industrielle Nebenprodukte wie Flugasche aus Kraftwerken oder Schlacken aus Eisen erzeugenden Hochöfen werden hierfür verwendet. Diese Materialien haben ebenfalls einen zementähnlichen Effekt.
• Zweitens können alternative Brennstoffe zum Erhitzen des Ofens verwendet werden, wie Plastikabfälle, Tierkadaver oder gebrauchte Autoreifen, aber auch diese beeinflussen die Zementeigenschaften.

Das Verständnis der kristallographischen Eigenschaften des Zements ist entscheidend für die Herstellung von Zement mit niedrigen CO₂-Emissionen.

Optimierung von Eisenerz im Bergbau

Ein weiteres wichtiges Material in unserem täglichen Leben ist Eisen. Der Ausgangspunkt für alles Eisen ist das Erz, das in Minen aus dem Boden gegraben wird. Die Qualität des Erzes in einer Mine ist niemals konstant. Es wurde vor Millionen von Jahren bestimmt, als die Gesteine entstanden. Der klassische und einfache Weg zur Bestimmung der Erzqualität erfolgt durch visuelle Inspektion: Vergleichen Sie die Farbe des Unbekannten mit einem Referenzsatz. Durch eine solche visuelle Inspektion können verschiedene Teile des Erzvorkommens als minderwertig oder hochwertig klassifiziert werden.

Durch die Bestimmung der Kristallographie kann jedoch eine viel feinere Klassifizierung des Erzvorkommens vorgenommen werden. Durch diesen Ansatz kann das abgebaute Material viel besser in verschiedene Grade sortiert und gemischt werden, um ein Zwischenprodukt mit gleichmäßigerer Qualität zu schaffen; es erhöht die Rentabilität der Bergbauaktivitäten, da weniger Abfall entsteht und es verringert den Umweltschaden.

Lassen Sie uns über Stress sprechen

Wenn Sie in einem Flugzeug unterwegs waren, haben Sie sich jemals gefragt, warum die Fenster im Flugzeug oval und nicht rechteckig sind? Flugzeuge und andere Maschinen sind bei Vorgängen wie Start und Landung zyklischen Lasten ausgesetzt. Nach vielen wiederholten Belastungen können sich Risse an der Oberfläche bilden, die sich plötzlich durch die gesamte Konstruktion ausbreiten und zum Versagen führen: das sogenannte Metallermüdung. Metallermüdung war nicht vollständig verstanden, als die ersten kommerziellen Düsenflugzeuge gebaut wurden. Die de Havilland Comet war ein Beispiel für ein solches Düsenflugzeug, das in den 50er Jahren gebaut wurde. Nach einer erfolgreichen Einführung des Flugzeugs stürzten zwei dieser Flugzeuge nach mehr als einem Jahr erfolgreichem Betrieb ab; mehrere mittluftkatastrophale Unfälle passierten in kurzer Zeit. Alle Flugzeuge wurden stillgelegt und die Untersuchung begann.

Die wiederholten Belastungen des Flugzeugrumpfes wurden simuliert, indem eines der verbleibenden Flugzeuge in einem Wasserbecken platziert wurde – das wiederholt unter Druck gesetzt und entlastet wurde. Nach mehr als dreitausend Zyklen platzte das Flugzeug plötzlich auf. Die Untersuchung zeigte, dass ein Ermüdungsriss in der Ecke eines rechteckigen Fensters aufgetreten war. Aus den simulierten Spannungen im Fensterrahmen konnte man sehen, dass diese Spannungen in rechteckigen Ecken viel höher sind als in abgerundeten. Heute haben Flugzeugfenster abgerundete Ecken.

Eine weitere Verbesserung der mechanischen Komponenten in Flugzeugen und anderen Maschinen wurde durch die absichtliche Erzeugung von Druckspannungen in der Oberfläche der metallischen Komponenten erreicht, wodurch Mikrorisse geschlossen bleiben und somit das Risiko der Metallermüdung verringert wird. Heutzutage werden Metallteile durch Kugelstrahlen behandelt, was diese Druckspannung auf der Oberfläche hinzufügt, und Metallermüdungsprobleme werden größtenteils überwunden. Das Verständnis kristallographischer Verformungen und die Messung mittels Röntgenbeugung sind entscheidend für die Herstellung sicherer und langlebiger Maschinen, die wir in unserem täglichen Leben nutzen.

Elektronik

Noch ein weiteres Gebiet: Mikroelektronische Geräte wie Computer und Mobiltelefone sind ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden, insbesondere für die jüngere Generation. Mobiltelefone sind so klein und leistungsfähig geworden, weil wir die Kristallographie verstehen. Mit diesem Verständnis haben wir kleinere und leistungsfähigere Batterien geschaffen sowie energieeffiziente Komponenten wie die Hintergrundbeleuchtung der Bildschirme in unseren Mobiltelefonen. Die Hintergrundbeleuchtungen von Mobiltelefonen bestehen aus Gallium-Nitrid (GaN), einem halbleitenden Material. Diese Hintergrundbeleuchtungen bestehen aus vielen dünnen Schichten, die die richtigen kristallographischen Eigenschaften für ein gut funktionierendes Gerät aufweisen müssen. Lassen Sie uns einen Blick auf das kontrollierte Kristallwachstum werfen.

GaN Hintergrundbeleuchtungen, wie andere mikroelektronische Komponenten, bestehen aus vielen Schichten verschiedener Materialien, die auf Einkristallsubstraten in chemischen Gasphasenabscheidungsreaktoren gezüchtet werden. Abhängig von den Wachstumsbedingungen im Reaktor können solche Schichten entspannt sein: Es gibt keine Beziehung zur Kristallstruktur des Substrats, oder verspannt: die Schicht ist deformiert und passt sich der kristallographischen Struktur des Substrats an. Diese verspannten Schichten sind entscheidend für die korrekte Funktion des Geräts. Röntgenbeugung wird verwendet, um die kristallographische Qualität dieser Schichten zu prüfen. Gut produzierte LEDs führen zu energieeffizienten und langlebigen Handybildschirmen. Noch einmal, das Verständnis der Kristallographie ist entscheidend für unser tägliches Leben.

Perfektionierung von Pharmazeutika

Das Wachstum und Altern der Weltbevölkerung verlangt nach der Verfügbarkeit von pharmazeutischen Materialien für alle. Das Verständnis der Kristallographie von Arzneimitteln ist entscheidend für die Entwicklung und Produktion sicherer Medikamente. Das rotierende Molekül ist Thalidomid, ein in den 50er Jahren entwickeltes Medikament, das sich als schädlich für ungeborene Kinder erwies. Eine in organischen Molekülen häufig auftretende kristallographische Eigenschaft ist die Polymorphie: die Fähigkeit des Moleküls, in verschiedenen Formen zu kristallisieren.

Hier sehen Sie zwei Formen von Indometacin, einem starken Schmerzmittel. Wir müssen diese kristallographischen Formen verstehen, um sichere Pharmazeutika herzustellen. Durch die Messung der Kristallographie können wir auch die Authentizität des Medikaments überprüfen. Die Fälschung von Arzneimitteln ist ein weit verbreitetes Problem und stellt eine potenzielle Bedrohung für die Sicherheit unserer Bevölkerung dar. Das Fälschen ist weniger riskant als der Drogenhandel.

Hier sehen Sie Diffraktogramme von Alpha- und Gamma-Indometacin. Da die beiden Polymorphe unterschiedliche Kristallstrukturen haben, sind auch beide Diffraktogramme unterschiedlich. Röntgenpulverdiffraktion ist das einzige Werkzeug, um verschiedene Polymorphe einer Verbindung leicht zu unterscheiden.

Kristalle in Ihrem Essen

Kristallographie ist auch wichtig für die Ernährung unserer wachsenden Bevölkerung. Düngemittel sind heutzutage unerlässlich, um den Ertrag der Landwirtschaft zu verbessern. Das Verständnis der Kristallographie von Böden und Düngemitteln hilft, den Dünger für die anzubauenden Pflanzen zu optimieren.

Der Zugang zu Trinkwasser ist in vielen Gebieten der Welt ein wachsendes Problem. Das Wasser in unseren Flüssen ist oft zu verschmutzt oder wird für die Bewässerung genutzt, was zu Wasserknappheit für die stromabwärts lebende Bevölkerung führt. Die Gewinnung von Trinkwasser aus dem Meer, das sogenannte Entsalzen, ist eine wachsende Aktivität. Das Verständnis der Kristallographie der Membranen und Filter ist wichtig für den Bau von Entsalzungsanlagen mit reduziertem Stromverbrauch. Schließlich sind kristallographische Substanzen in vielen Lebensmitteln vorhanden, die wir zu uns nehmen. Schokolade ist eine schmackhafte kristallographische Substanz. Kristallographie ist also nicht nur für unser tägliches Leben unerlässlich, sie fügt auch Geschmack hinzu.

In diesem Blog habe ich Ihnen gezeigt, dass Kristallographie in verschiedenen Aspekten unseres täglichen Lebens wesentlich ist. Sie sind herzlich eingeladen, mehr über Kristallographie in unserem täglichen Leben auf der Malvern Panalytical Website zu erfahren.

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