In den Geowissenschaften werden mit den Röntgenstrahlen vor allem natürliche Mineralienuntersucht. Die sogenannte Pulverdiffraktometrie im XRD-Labor von Christina Günter und Wolfgang Morgenroth hat dabei den Charme, dass die Kristalle nicht in Reinform vorhanden sein müssen, sondern auch ein Gemisch aus verschiedenen Mineralen in ein und derselben Probe relativschnell und mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden kann. „Es gibt hierfür zwar auch andere, mitunter einfachere Methoden“, sagt der Mineraloge Wolfgang Morgenroth. In bestimmten Fällen könne die Röntgendiffraktometrie aber als zuverlässige Quelle für eine wasserdichte Beweisführung dienen, die wissenschaftlicher Überprüfung standhält.
Um einem harten Brocken wie dem grasgrünen Olivin seine Geheimnisse zu entlocken, müssen Wolfgang Morgenroth und seine Studierenden das Gestein zunächst mechanisch zerkleinern. Dasim oberen Erdmantel gefundene Mineral wird zermahlen, bevor eine kleine Menge feinen Pulversauf einem Objektträger aufgebracht werden kann. Die restliche Fleißarbeit erledigt das „Empyrean“,ein XRD-Gerät der Firma Malvern Panalytical, fast wie von selbst. Dabei trifft ein Röntgenstrahldurch ein kleines Fenster auf den Olivin, während ein Detektor einige Minuten lang gleichmäßig einen Halbkreis um die Probe herum abfährt, um Reflexe des „abgelenkten“ Primärstrahls zumessen. Diese eigentliche Messung erfolgt automatisch, abgeschottet hinter dem Sicherheitsglas der nach außen hin strahlengeschützten Maschine. Am Computer kann Wolfgang Morgenroth die gemessenen Beugungsmuster mit eigenen Daten oder aber großen Datenbanken wie der des International Centre for Diffraction Data abgleichen. Das Ergebnis bestätigt die typische Metrik der Elementarzelle des Olivins.
Messung von Reflexen aus dem Kristallgitter
Das bereits 1912 postulierte Grundprinzip solcher Messungen ist so alt wie genial. Röntgenstrahleneignen sich nämlich nicht nur zum Durchleuchten unseres Körpers, wenn wir mal krank werden oder uns den Knöchel verstauchen. Aufgrund ihrer kurzen Wellenlänge sind sie auch ideal für Messungen im Bereich atomarer Dimensionen. Denn in kristalliner Form – als Gitter – streut jede Substanz, jedes chemische Element den Röntgenstrahl auf ganz eigene Weise im Raum. „Wir nutzen aus, dass wir einen Kristall bestrahlen, der ein sich dreidimensional wiederholendes Muster hat“, erläutert Wolfgang Morgenroth, der am Institut für Geowissenschaften den akademischen Nachwuchs am Röntgendiffraktometer schult. Der kleinste dieser sich wiederholenden Cluster aus Atomen beziehungsweise Ionen wird Elementarzellegenannt. Durch ihre periodische Anordnung lenken alle identisch ausgerichteten Elementarzellenden Röntgenstrahl im jeweils gleichen Winkel ab. Bei Überlagerung (Interferenz) können sich die parallel verlaufenden Wellen dieser reflektierten Röntgenstrahlen gegenseitig verstärken oderauslöschen. So erzeugt jeder Kristall im Reflex des Röntgenstrahls ein ganz bestimmtes Beugungsbild. Misst man diesen „Fingerabdruck“ auf einer Detektorplatte oder einem Sensor, kann daraus auf die Zusammensetzung und räumliche Struktur des Materials geschlossen werden.
Sand aus einem Kalksandsteinvorkommen können Forschende auf diese Weise ziemlich exakt auf seine Bestandteile hin analysieren, also zum Beispiel Anteile an Quarz und Calciumcarbonat. Bei Gemischen wie Zement oder Putzen von Bauwerkensind es schnell deutlich mehr Bestandteile. Ganz praktisch kommen solche Erkenntnisse nicht zuletzt auch im Denkmalschutz zum Tragen, wenn beispielsweise die Zusammensetzung alter Mörtel reproduziert werden soll, die historische Gebäude zusammenhalten. Auch die Bestimmung von Farbpigmenten profitiert von der Methode. Ein weiteres Anwendungsgebiet istdie präzise Analyse von schädigenden Salzen, die zur Verwitterung eines Gebäudes beitragen. Im agrar- und umweltökonomischen Kontext kann die Beschaffenheit von Tonmineralen in Böden mit dem XRD bestimmt werden.
Suche nach neuen chemischen Verbindungen
Von entscheidender Bedeutung ist die Method ein der Forschung an gänzlich unbekannten Verbindungen, allen voran am Institut für Chemie. Zwischen den Kühl- und Lüftungsrohren, Mikroskopen und Druckbehältern im XRD-Labor des Instituts herrscht ein sonores Grundrauschen. Es ist die Spielwiese von Chemiker Eric Sperlich, der hier mit dem STOE Stradivari Einkristalldiffraktometer winzige Kristalle untersucht, die mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind– oftmals sogar völlig neuartige Moleküle. „Wir sind ein Servicecenter“, sagt der Laborleiter. „Den Auftrag erteilen uns typischerweise Doktoranden oder Postdoktoranden, aber auch Studierende, die an der Synthese neuer organischer, anorganischer oder Hybridmaterialien forschen, deren Molekülstruktur bisher unbekannt ist. Er lautet häufig: Sag mir, was das ist und ob meine Wunschverbindungwirklich entstanden ist.“
Unter dem Mikroskop fixiert Eric Sperlich einen rötlichen Krümel, eine Kobaltverbindung, mit speziellem Besteck und Fingerspitzengefühl auf einer Nadel. Eine Arbeit, die früher mit Pinsel und Kleber beziehungsweise Knete gemacht werden musste. Anschließend wird die Probe im Messbereich des XRD zentriert. Durch ein sogenanntes Vierkreis-Goniometer kann das hochkomplexe Gerät diesen Hauch einer Substanz von nahezu allen Seiten her bestrahlen. Ein Vorgang, der nur wenige Sekunden dauert und aufgrund seiner Kleinskaligkeit mehr erahnt als beobachtet werden kann. In einer Cloud wird das Ergebnis aus 138 Einzelmessungen mit den 1,4Millionen Einträgen der Cambridge Structural Database abgeglichen, die sämtliche chemischen Verbindungen mit mindestens einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung katalogisiert. Der sprichwörtliche Kern des Pudels, die Anordnung der Atome in der Substanz, wird außerdem in einer Computergrafik illustriert, die genau zeigt, wo im Gitter welches Atom sitzt. Die große Hoffnung, die dabei stets mitschwingt: eine neue, bislang nicht beschriebene Verbindung entdeckt zu haben, deren Eigenschaften die Wissenschaft der Lösung eines bestimmten Problems einen Schritt näherbringen.
Das können Komponenten für neue Kunststoffe, Lithiumbatterien oder LEDs sein, Materialien für Sensoren, die in natriumhaltigen Umgebungen (zum Beispiel Salzwasser) funktionieren sollen oder auch medizinische Wirkstoffe. Cristian Paz von der Universidad de La Frontera im chilenischen Temuco sendet beispielsweise Extrakte von Heilpflanzen aus Chile an das Institut, um sie auf die Struktur möglicher Wirkstoffe hin untersuchen zu lassen. Durch chemische Prozesse zum Gitter angeordnet, als sogenannter Einkristall, offenbart auch organisches Material seine innere Struktur. Denn das ist die Voraussetzung, um mit dem XRD ein brauchbares Ergebnis zu erzielen: Die Substanz muss in kristalliner Formvorliegen. Man könne aber jedes Gas und jede Flüssigkeit durch Abkühlen in solch einen Festkörperumwandeln, sagt Eric Sperlich. Wenn die Synthese einer neuen Substanz auch Defekte im Gitter der Atome produziert, verdient die Qualität eines solchen Kristalls schon mal das Prädikat: nicht schön, aber selten. Dank umfangreicher Datenbanken, computergestützter Präzisionsmessungen und leistungsstarker Software verfälschen kleine Defekte die Ergebnisse heutzutage aber nicht allzu sehr; mit dem XRD lassen sich solche unter Umständen erst entdecken. Überhauptgelangt das, was in Theorie und Praxis seit Anfang des 20. Jahrhunderts machbar ist, durch die Computertechnik und Rechenleistung des21. Jahrhunderts in seinem Labor erst so richtig zur Entfaltung. Dauerte die Messung und Analyseeines unbekannten Kristalls unter optimalen Bedingungen vor gar nicht so langer Zeit noch eine gute halbe Woche, so erhalten Forschende ihr Resultat heute mit etwas Glück noch am selben Tag. Sehr zur Freude von Eric Sperlich: „Ich bin ein absoluter Fan dieser Methode.“
Weitere Informationen zur Röntgenkristallographie des Instituts für Chemie: https://www.uni-potsdam.de/de/kristallographie
Weitere Informationen zum XRD-Labor für Röntgenpulverdiffraktometrie von Christina Günter und Wolfgang Morgenroth am Institut für Geowissenschaften: https://www.uni-potsdam.de/de/geo/forschung/mineralogie/ausstattung/xrd-labor
Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal - Eins 2026 „Inklusion“.