Einführung in die Kristallographie, Will Kleber, 20. Auflage, Rezension von Peter Paufler

Einführung in die Kristallographie, 20. Auflage

Will Kleber (Gegründet von)

Joachim Bohm, Detlef Klimm, Manfred Mühlberg, Björn Winkler (Autoren)

2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston, 20. Auflage, XVI+516 Seiten, 351 Abbildungen, 58 Tabellen. ISBN 978-3110460230. Broschiert 69,95 €.

DOI: https://doi.org/10.1515/9783110460247

http://www.blickinsbuch.de/item/9c7f15c1aecfdb11870db0e8cdbb8855

Als Will Kleber 1955 im Vorwort zur ersten Auflage 1956 seiner ‚Einführung in die Kristallographie‘ den notwendigen einheitlichen Blick auf den kristallisierten Zustand anmahnte, gab er zugleich selbst ein praktisches Beispiel dafür, wie dieses Konzept gestaltet werden kann. Damals hatte es sogar die förmliche Weihe eines ministeriell anerkannten Universitäts- und Hochschullehrbuchs.

Heutzutage bewertet der Leser die Eignung vorwiegend an der Zahl der Nachauflagen. Es darf als Hommage auf das Wirken Will Klebers an der Humboldt-Universität gelten, dass das Werk nach seinem Tode 1970 von seiner Frau Irmgard sowie den Schülern Hans Joachim Bautsch und Joachim Bohm unter seinem Namen fortgeführt, unter der Ägide von J. Bohm zuletzt mit Detlef Klimm (IKZ Berlin) überarbeitet und schließlich unter weiterer Beteiligung der Hochschullehrer Manfred Mühlberg (Univ. zu Köln) und Björn Winkler (Univ. Frankfurt/M.) als 20.Auflage präsentiert worden ist. Nun stellt sich nach 65 Jahren heraus, das Konzept ist immer noch tragfähig trotz zahlreicher neuer Entdeckungen und Fortschritte im Einzelnen. Längst haben Strukturanalyse, Festkörperphysik, Festkörperchemie, Werkstoffwissenschaft, Biochemie und Mineralogie eigene spezielle Darstellung erfahren, die meist die Kristallgeometrie wegen der dort zweckmäßigen eigenen Nomenklatur und Symbolik nur beiläufig behandeln. Von Anfang an hat Will Kleber dagegen den Grundlagen der morphologisch-strukturellen Betrachtung breiten Raum gewidmet, was zeitweilig als Verharren in der Anfangszeit der Kristallographie missdeutet worden ist. Inzwischen werden zum Beispiel Wachstumsformen als einfach zugängliche und dennoch ergiebige Informationsträger des inneren Aufbaus von Forschern sehr geschätzt, verlangen aber gerade Vertrautheit mit der Geometrie periodischer und aperiodischer symmetrischer Systeme. Deshalb führt der KLEBER Punkt- und Raumsymmetriegruppen als unverzichtbares Werkzeug für quantitative Betrachtungen physikalischer und struktureller Eigenschaften ein. Mit den Grundlagen dafür erschließt sich dem Leser dann auch die Fülle weiterführender Publikationen der ‚International Union of Crystallography‘ (IUCr), insbesondere die der ‚International Tables for Crystallography‘. Das macht den Weg frei zur Einbeziehung auch niedrigsymmetrischer Festkörper in die Arbeit des Materialforschers, denn der Umgang mit nichtkartesischen Koordinatensystemen wird außerhalb kristallographischer Literatur meist umgangen. Mit der IUCr als Referenz bekennen sich die Autoren zu begrifflicher Strenge und zur aktuellen internationalen Nomenklatur, was dem aufmerksamen Nutzer des KLEBER sehr zustatten kommt.

Zum einheitlichen Konzept des KLEBER gehört auch die Darbietung des Stoffes über die erwähnte Geometrie hinaus als Paket aus Kristallchemie, Kristallwachstum/ – züchtung, Kristallphysik, Strukturbestimmungsmethoden und Realstrukturen. Im Durchschnitt ist das Buch aller 3.5 Jahre neu aufgelegt und aktualisiert worden, wobei sich über die vergangenen 65 Jahre hinweg auch Reihenfolge und Bezeichnung der Bestandteile änderten. Zur Popularität dieser Einführung trägt zweifellos die behutsame Verwendung des mathematischen Apparats bei (Grundkenntnisse von Matrix- und Tensor-Algebra), mit dem ausführliche Textpassagen, Grafiken und Tabellen begleitet werden.

Kleber selbst hat in der 1.Auflage darauf bestanden, dass der Lernende sein räumliches Anschauungsvermögen mit geeignetem Übungsmaterial schult. Dazu helfen mehr als 350 Abbildungen. Ohne zusätzliche Inanspruchnahme gegenständlicher dreidimensionaler Modelle, wie sie in begleitenden Übungen zur Kristallographie vorgehalten werden, mochte er sich das aber nicht vorstellen.

Die vorliegende 20.überarbeitete Auflage löst nun die vor 11 Jahren erschienene 19. Auflage mit einem um 46 Seiten erhöhtem Umfang ab, der inhaltlich aber teilweise durch einen verkleinerten Satzspiegel aufgezehrt wird. Kapitel 1 (Kristallstrukturlehre und – morphologie) (21% des Buches) übernimmt weitgehend in Text und Bild das bewährte Niveau und den Umfang des relevanten Begriffsapparats, passt sich gleichzeitig mit punktuellen Aktualisierungen der Entwicklung des Fachgebietes an. Beispielsweise werden die Termini ‚Gitterparameter‘ statt ‚Gitterkonstanten‘ und ‚orthorhombisch‘ statt ‚rhombisch‘ verwendet und die neue Definition des Kristalls durch die ‚International Union of Crystallography‘ eingeführt (damit auch Quasikristalle eingeschlossen). Als Zusatzinformation sind die Lebensdaten der im Text erwähnten Wissenschaftler als Fußnoten notiert, ein nützlicher Beitrag zur Erinnerungskultur. Der Straffung des Textes dienen einige Kürzungen. Sie betreffen hauptsächlich die gnomonische und die Schmidtsche Projektion (einschließlich eines Schmidtschen Netzes), Anwendungen der stereographischen Projektion und das Kristallzeichnen. Sowohl eine verminderte Nachfrage in der Praxis als auch die Verfügbarkeit von Computerprogrammen sollten das verschmerzen lassen. Hervorgehobene Merksätze, Passagen im Kleindruck und eingestreute Fragen lockern den Text auf. Formeln sind nun nummeriert, was die Referenz erleichtert. Zur Kontrolle für den Leser sind Antworten auf die Fragen am Schluss des Buches beigefügt. Hilfreich ist wieder ein Wulffsches Netz von 10 cm Radius als lose Beilage.

Die Vision von der Berechnung der Kristallstruktur bei vorgegebenem Mengenanteil von Elementen des Periodensystems und thermodynamischen Parametern, so bekennen die Autoren, ist noch immer nicht so weit verwirklicht, dass auch moderne Materialforschung auf empirische Konzepte verzichten könnte. Das Kapitel 2 ‚Kristallchemie‘ (18% des Buches) widmet sich deshalb selbst 65 Jahre nach seiner ersten Formulierung derartigen Konzepten, konkret in Gestalt von Kristallbausteineigenschaften (Radien, Elektronegativitäten), Kugelpackungen und Bindungstypen. Der Abschnitt über kovalente Bindung ist überarbeitet und der Computer-Beweis der dichtesten Kugelpackung be rücksichtigt worden. Den Kern des Kapitels bildet die systematische Kristallchemie. Hier spielen grafische Strukturdarstellungen und quantitative Daten für das Begreifen von Bauprinzipien eine maßgebliche Rolle. Die Methode der Gruppe-Untergruppe-Beziehung nach H. Bärnighausen kann dabei hilfreich sein, wird indessen nicht angeführt. Die Gliederung der Strukturen nach metallischer sowie ionarer und kovalenter Bindung mit einem Exkurs in die Molekülstrukturen bietet Gelegenheit, die Vielfalt anhand ausgewählter Strukturargumente zu ordnen. Eine repräsentative Auswahl von Strukturen erleichtert dem Leser den Bezug zu konkreten Substanzen seines Interesses und reizt gleichzeitig zur Prognose bisher unbekannter Atomanordnungen. Gegenüber der 19.Auflage ist das Kapitel wenig verändert. Die Zahl der weltweit neu bestimmten oder berechneten Strukturen wächst indessen weiter. Die Autoren verweisen deshalb auf elektronischen Datenbanken wie ICSD und CCD als wesentliche Säule genauerer Vorhersagen.

Das Fachgebiet Kristallographie ist seit dem 20.Jahrhundert durch die Methode der diffraktometrischen Strukturbestimmung mit Photonen- und Teilchenstrahlen gekennzeichnet, die sich inzwischen zum Standardwerkzeug mit hohem Automatisierungsgrad entwickelt hat. Kapitel 3 ‚Beugungsmethoden und Kristallstrukturbestimmung‘ (12% des Buches) geht am Beispiel der Röntgenstrahlen auf die experimentellen Grundlagen einschließlich der Auswerteverfahren mit einem kurzen Blick auf Besonderheiten der Neutronenstrahlen ein. Es ist gegenüber der 19. Auflage stark überarbeitet. Mit Stichworten Röntgenlinsen, Röntgenspiegel, Bildplatte, EXAFS, Synchrotronstrahlungsquellen und Röntgenlaser wird nun von faszinierenden Fortschritten der experimentellen Strukturuntersuchungsmethoden berichtet. Der begrüßenswerten Aktualisierung und Straffung zuliebe werden für diese Neuheiten spezielle ältere Verfahren der Strukturuntersuchung wie Weissenberg-, Drehkristall- , See mann-Bohlin- und Guinier- Methode ebenso wie die Auswertestrategie der direkten Methoden weggelassen. Neu aufgenommen wurden Experimente mit Diamantstempelzellen und an amorphen Proben.

War in der ersten Auflage Kristallwachstum und – auflösung noch der Morphologie zugeordnet, hat das Teilgebiet inzwischen unter dem Kapitel 4 ‚Kristallisation- Kristallwachstum- Kristallzüchtung‘ (11%) einen hervorgehobenen Stellenwert erhalten. Phasendiagramme zum Verständnis der Vorgänge bei der Temperaturänderung von Mehrstoffsystemen sind der Erörterung der Kristallisation (Keimbildung und Wachstum) und der Kristallzüchtung vorangestellt, wobei speziellere Wachstumsphänomene auf die Fachliteratur verwiesen werden. Die wichtigsten Verfahren der Kristallzüchtung haben in der neuen Auflage eine übersichtlichere und ausführlichere Neufassung erfahren, die auch der industriellen Bedeutung der Kristallzüchtung Rechnung trägt. Epitaxie und Topotaxie bilden den Abschluss der besonders für die Bauelemente-Fertigung relevanten Züchtungsverfahren.

Während der Kristallisation laufen weitere physikalisch-chemische Vorgänge ab, die zum kristallographischen Verständnis unabdingbar sind, für die als eigenständige Themen (Diffusion, Phasenübergänge, Strahlenwirkung) eine gestraffte Darstellung am Schluss des Kapitels 4 gefunden wurde.

Das umfangreichste Kapitel 5 ‚Kristallphysik‘ (24%) ist den physikalischen Eigenschaften gewidmet. Im Unterschied zu Darstellungen für Zwecke der Festkörperphysik wird die Anisotropie der Eigenschaften für alle Symmetriegruppen in den Mittelpunkt gestellt und damit zugleich keine Materialgruppe ausgeschlossen. Mit der Beschreibung durch Tensoren praktizieren die Autoren einen einheitlichen Algorithmus zur quantitativen Handhabung von Materialparametern auf der Ebene der Punktgruppensymmetrien. Der Behandlung konkreter Eigenschaften ist ein Abschnitt über Tensoren vorangestellt, aus dem der Leser die relevanten Grundlagen und verwendeten Bezeichnungsweisen in komprimierter Form entnehmen kann. Eine gewisse Vertrautheit mit der Tensoralgebra wird aber vorausgesetzt. So erschließt sich dem Leser auch die erstaunliche Vielfalt der anisotropen physikalischen Eigenschaften und der Aspekte ihrer technischen Nutzung. Die für spezielle Eigenschaftsbeschreibungen zweckmäßigen kontinuierlichen und die magnetischen Punktgruppen sind als Ergänzung zu Kapitel 1 anschließend dargestellt.

Mit der Ordnung der physikalischen Eigenschaften nach der Stufe des Tensors folgen die Autoren der Systematik, die auch Effekten höherer Ordnung einen Platz zuweist. Hysteresebehaftete Erscheinungen ergänzen die jeweiligen hysteresefreien. So folgen auf Massendichte, Pyro- und Ferroelektrizität, thermische Ausdehnung, Wärmeleitung, elektrische Leitung, Dia- und Paramagetismus, Ferro-, Antiferro- und Ferrimagnetismus. Sehr ausführlich, weil praktisch besonders bedeutsam und an anderer Stelle wenig beachtet, wird anschließend auf die Kristalloptik unter Berücksichtigung der nichtlinearen Suszeptibilität eingegangen. Dazu gehört auch die Einführung in den Gebrauch des Polarisationsmikroskops und der U-Tisch-Methode. Von den Tensoreigenschaften 3. und 4. Stufe werden Piezoelektrizität, Elastizität und Plastizität behandelt. Die letztere komplexe Materialeigenschaft lädt dann wegen Hysterese und Nichtlinearität zwanglos zum Seitenblick auf Versetzungen und das Härteprüfverfahren ein.

War die Realstruktur in der ersten Auflage noch ein Anhängsel der Kristallstrukturlehre, hat sie nun in Kapitel 6 ‚Defekte in Kristallen (Realstrukturen)‘ (8%) die ihr gebührende Eigenständigkeit erreicht. Null- bis zweidimensionale Defekte und deren wichtigste Nachweismethoden mit Röntgen- und Elektronenstrahlen führen den Leser in die Grundbegriffe ein.

Den Abschluss bilden neben den Antworten auf 19 Fragen im Text das Literatur- und das Stichwortverzeichnis, Ersteres gegenüber der 19. Auflage deutlich gestrafft und aktualisiert.

Die begrüßenswerte Überarbeitung lässt auch Wünsche für eine weitere offen. Die Verkleinerung der neugezeichneten Bilder um etwa 20% hat für den Text Raum geschaffen, erschwert aber zugleich die Lesbarkeit der Beschriftung einiger Abbildungen selbst (z.B.1.5). Bei Fotos von Instrumenten vermisst man den Bezug zur Bildbeschreibung (z.B. 3.16), und bei Halbtonbildern einiger Polyeder ist der Flächenkontrast unzureichend (z.B. 1.62). Auf S.16 sollte als Urheber des Reflexionsgoniometers Victor Mordechai Goldschmidt statt Victor Moritz Goldschmidt genannt werden. Er berichtete schon 1893 darüber.

Das Literaturverzeichnis ist aktualisiert, stark gekürzt und streng alphabetisch geordnet worden. (Durch die versehentliche Einordnung des Autors M.I. Aroyo unter dessen Vornamen wird leider die zugehörige wichtige Datenquelle versteckt.) Tatsächlich nimmt die Nachfrage nach älterer Literatur ab und die nach elektronischen Medien zu. Das gibt dem Rezensenten Gelegenheit, auf den für alle einschlägig Interessierte sehr ergiebigen ‚Bilbao Crystallographic Server‘ [https://www.cryst.ehu.es/] als weitere zitierwürdige Quelle mit Aroyo als Erstautor hinzuweisen, der eine Erwähnung in der nächsten Auflage verdient. Damit das anschließende Stichwortverzeichnis dem schnellen Zugriff auf ein behandeltes Thema dienen kann, sollte es im Umfang erweitert werden.

Insgesamt steht nunmehr eine aktualisierte Ausgabe des KLEBER zur Verfügung, die Studierenden der Kristallographie ebenso wie anderen materialwissenschaftlich Orientierten als Einführung sehr empfohlen werden kann. Ihr Vorzug besteht fort, einen Einblick in das Gesamtgebiet zu geben, das die Kristallographie als interdisziplinäres Arbeitsgebiet ausmacht. Mit dem Kapitel über Kristallstrukturlehre und – morphologie wird zugleich der zentrale Begriffsapparat zum quantitativen Umgang mit chemischen und physikalischen Eigenschaften in einem Umfang behandelt, wie er in Lehrbüchern von Nachbardisziplinen nicht geboten wird.

Prof.(i.R.) Dr. Dr.(h.c.) Peter Paufler, Dresden (25. März 2021)

 

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