Forschungsprofil

Der überwiegende Teil der im festen Zustand vorliegenden Materie besteht aus Kristallen. Diese bauen sich aus Atomen, Ionen oder Molekülen auf, die streng symmetrisch, dreidimensional periodisch angeordnet sind.
Das Fach Kristallographie analysiert deren Entstehung und Wachstum, die Kristallstruktur und deren Gesetzmäßigkeiten unter Beachtung der chemischen und physikalischen Eigenschaften, die sich in einer besonderen Weise richtungs- und symmetrieabhängig räumlich entfalten.

Forschungsschwerpunkte

Das Kölner Institut für Kristallographie nimmt durch seine wissenschaftliche Ausrichtung national eine Sonderstellung ein. Während die Mitarbeiter der meisten vergleichbaren Institute rein strukturellen Fragen nachgehen, konzentriert sich die Forschung in Köln auf die Kristallphysik und Kristallzüchtung. Diese ergänzen sich in der Grundlagenforschung und bilden eine ausgezeichnete Brücke zu den Materialwissenschaften. Den Rahmen der Grundlagenforschung liefert die Interpretation von physikalischen Eigenschaften. Es werden Beziehungen zwischen Struktur und Chemismus untersucht. Man geht von physikalischen Modellen aus, um die kristallographischen Eigenschaften zu analysieren. Dabei berücksichtigt man insbesondere die Symmetrie und Kristallchemie. Dies erleichtert es, die Eigenschaften komplexerer Kristalle zu verstehen - für einen Materialwissenschaftler, der nach neuen Verbindungen sucht, ein ausgezeichnetes Werkzeug.

Nur Kristalle, die über kein Symmetriezentrum verfügen, können nichtlineare und elektrooptische sowie piezo- und pyroelektrische Eigenschaften aufweisen. Gezielt wird nach neuen azentrischen Kristallen gesucht, gleichzeitig wird versucht, Kristallarten mit stark polaren Effekten maßzuschneidern. Die Fragestellungen bewegen sich zwischen der Grundlagenforschung und angewandten Materialwissenschaften.

Einen weiteren Schwerpunkt bilden strukturelle Phasenumwandlungen. Mit ihnen gehen kristallphysikalische Anomalien und strukturelle Veränderungen einher.

Am Kölner Institut werden mehrere Kubikzentimeter große Einkristalle gezüchtet. Zum einen werden aus überwiegend wäßrigen Lösungen Kristalle gewonnen, von einfachen anorganischen Salzen bis hin zu komplexen Verbindungen mit organischen Komponenten. Zum anderen werden Schmelzzüchtungsverfahren, wie das Czochralski- und das Bridgman-Verfahren sowie die "top seeded solution growth" (TSSG) Methode benutzt. Das Metrialspektrum bilden hier oxidische Substanzen, mit besonderer Berücksichtigung der Borate und Phosphate. In den Züchtungsexperimenten wird versucht die chemischen Verteilungsgesetze zu beeinflussen und zu beherrschen, die strukturelle Perfektion zu erhöhen und den Einfluß von Mischkristallkomponenten und Dotierungen auf die Kristalleigenschaft zu analysieren.

Verknüpfungen und Perspektiven

Das interdisziplinäre Fach Kristallographie ist durch eine Reihe von Gemeinsamkeiten mit der Mineralogie in der Fachgruppe Geowissenschaften verankert. Ebenso wichtig ist eine enge Kooperation mit anderen Festkörperdisziplinen, vor allem mit der Anorganischen Chemie und der Festkörperphysik. Das äußert sich z.B. im 2006 abgeschlossenen Graduiertenkolleg 549 Azentrische Kristalle und im Ende 2012 beendeten Sonderforschungsbereich 608 Komplexe Übergangsmetallverbindungen mit Spin- und Ladungsfreiheitsgraden und Unordnung. Vertreter der Fächer Experimentalphysik, Theoretische Physik (Standort Köln und Bonn), Anorganische Chemie und Kristallographie sind hier tätig.

Laufende Drittmittelprojekte des Instituts für Kristallographie sind im Grenzgebiet zwischen Grundlagenforschung und Materialwissenschaften angesiedelt. Den größten Umfang nimmt ein Projekt auf dem Gebiet der nichtlinearen Optik ein.