GERISSENE MIKROKRISTALLE, DIE HEILEN UND WIEDER LICHT EINFANGEN

Photonische Bauteile werden immer kleiner: Wellenleiter, die Licht führen, Resonatoren, die es einfangen, Laser. In dieser Größenordnung genügt ein mikroskopischer Riss, um sie unbrauchbar zu machen. Wie Risse in organischen optischen Kristallen entstehen und heilen, ist laut den Autoren „weitgehend unerforscht“.

Kristalle, die ihre eigenen Risse reparieren, sind in ihren Worten „ein seltenes und bemerkenswertes Phänomen“. Zu den früheren Beispielen, die in der Arbeit zitiert werden, gehören Steinsalz, Kaliumchlorid und Aluminiumoxid sowie mehrere Molekülkristalle. Doch die meisten waren Millimeter bis Zentimeter lang und wurden mit Pinzetten und Nadeln bearbeitet. Manche heilten langsam: Etwa 3 Millimeter lange Kristalle erholten sich nach 24 Stunden Zusammenpressen nur zu 6,7 %. Andere, nadelförmige, fügten sich in Millisekunden wieder zusammen.

Eine Mikroskopspitze als Hammer

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar und Kollegen an der University of Hyderabad und der Central University of Karnataka in Indien gingen hinunter bis zu der Größenordnung, in der Kristalle als optische Bauteile arbeiten. Sie verwendeten eine organische Verbindung namens HDMAC, die unter ultraviolettem Licht orangerot leuchtet, mit einer Emission um 660 Nanometer. Als Lösung auf einen Objektträger getropft, bildet sie dünne quadratische und rechteckige Kristalle von einigen zehn Mikrometern Breite.

Ihr Werkzeug war die Cantilever-Spitze eines Rasterkraftmikroskops, mit der sie die Kristalle gezielt zum Reißen brachten und die Stücke auch wieder zusammenschoben. Ihr Vokabular entlehnten die Autoren den Knochenbrüchen: Querrisse verlaufen quer durch den Kristall, Längsrisse an ihm entlang, Schrägrisse diagonal; bei einer Avulsion wird ein kleines Bruchstück abgerissen.

Stücke, die verschmelzen

• In einem Kristall von etwa 13,7 mal 12,5 Mikrometern verschwand ein diagonaler Riss, als die Seite des Kristalls nach innen gedrückt wurde. Unter dem Elektronenmikroskop war die Reparatur nahezu nahtlos, mit einer schwachen Linie bei starker Vergrößerung. Nur die Stelle, an der ein Bruchstück herausgerissen worden war, blieb ungeheilt.
• Ein etwa 20 Mikrometer langer Kristall wurde in zwei getrennte Stücke gespalten. Neu ausgerichtet und aneinandergepresst, heilten sie sofort. Als der Kristall danach mit der Spitze geschoben wurde, bewegte er sich als ein einziger Körper.
• Risse entlang zweier verschiedener Kristallebenen heilten beide. Nahezu alle Mikrokristalle heilten, wenn die Bruchflächen sauber blieben; eine Ansammlung winziger Trümmer an der Bruchstelle behinderte die Heilung.
• Ein großer, plättchenförmiger Kristall mit derselben Molekülpackung zersplitterte, statt sauber zu reißen, und heilte nicht.

Wie viel Licht zurückkommt

Lange Kristalle wirken als Wellenleiter: Licht, das an einem Ende ausgesandt wird, wandert zum anderen. In einem 271 Mikrometer langen Kristall richtete das Team einen 405-Nanometer-Laser auf ein Ende und fing das geleitete Leuchten am anderen auf, vor dem Reißen und nach der Heilung. Der Vergleich der beiden ergab eine „Heilungseffizienz“ von etwa 80 %. Bei sechs solchen Kristallen reichte sie von 32 % bis 99 %. Die Verluste stammten von Licht, das am reparierten Riss gestreut wurde, besonders dort, wo Bruchstücke fehlten.

Ein wiederhergestellter Resonator

Dünne Kristalle dienen auch als Resonatoren: Ihre Ober- und Unterseite wirken als Spiegel, sodass sich nur bestimmte Lichtfarben zwischen ihnen aufbauen. Je dünner der Kristall, desto größer der Abstand zwischen diesen Resonanzen. Ein Kristall von 31 mal 28 Mikrometern und 1,8 Mikrometern Dicke zeigte Resonanzen im Abstand von 17,8 Nanometern.

Das Team brachte ihn der Länge nach in der Mitte zum Reißen, ohne ihn zu spalten. Am Riss wurden die Resonanzen stark unterdrückt. Nach der Heilung kehrten sie zurück, mit einem Spektrum, das dem des intakten Kristalls entsprach. Fluoreszenzbilder, Schicht für Schicht alle 257 Nanometer aufgenommen, zeigten nur in den oberen Lagen eine schwache Spur des Risses; unterhalb von etwa 770 Nanometern wirkte das Innere geheilt.

Weicher an der Naht

Eine Diamantspitze, die mit derselben Kraft in den Kristall gedrückt wurde, sank in intakten Bereichen 95 Nanometer tief ein und im geheilten 115 Nanometer. Die Steifigkeit der geheilten Zone, ihr Elastizitätsmodul, fiel von 2,15 auf 1,49 Gigapascal, etwa zwei Drittel des ursprünglichen Werts, und ihre Härte halbierte sich ungefähr. Beim Entlasten federte sie dennoch teilweise zurück.

Was hält die Stücke zusammen? Berechnungen der Kräfte zwischen Molekülen deuten auf durchgehende Ketten von Anziehung entlang der beiden Heilungsebenen hin: Wasserstoffbrücken zwischen Molekülen und Dipolanziehungen zwischen benachbarten Schichten, in denen die Autoren eine der treibenden Kräfte sehen.

Die Autoren betonen, dass keine einzelne Zahl eine Heilungseffizienz erfassen kann: Kristallgröße, Art des Risses und wie gut die Stücke wieder ausgerichtet werden, verändern alle das Ergebnis. Ihr Ziel sind optische Bauteile, die Schäden überstehen – leuchtende Kristalle, die nach einem Bruch wieder in Dienst gestellt werden können.