Es gibt Fragen, die sich sicher schon manchem aufgedrängt haben, wenn man so durch die mineralogischen oder geologischen Sammlungen streift und die Exponate bewundert. Die meisten der ausgestellten Minerale liegen als klar erkennbare Kristalle vor, mit mehr oder weniger geraden Kanten und glatten Flächen.

Wie schafft es die Natur, die uns sonst oft genug so chaotisch und schief daherkommt, hier so wunderschöne und oft völlig symmetrische Formen zu bilden?

Die Antwort führt über die Vorstellungen von Kossel (1927) und Stransky (1928), nach denen ein neuer Baustein keine beliebige Position an einem entstehenden Kristall einnehmen kann, denn jede Position unterscheidet sich durch ihren Energiegewinn, den eine Anlagerung dort bringt. Stark vereinfacht sieht das im Modell so aus:

Wir haben hier 6 mögliche Positionen, die ein neuer Baustein einnehmen kann. Für die Position 1 ist der Energiegewinn am höchsten, in absteigender Reihenfolge stehen die Positionen 4 > 5 > 2 > 6 > 3.

Die Position 1 wird auch als Halbkristalllage bezeichnet, weil ein Baustein dort genau halb so viele Bindungen eingeht, wie einer im Inneren des Kristalls. Da diese Halbkristalllage bevorzugt wird, werden einmal begonnene Ketten komplettiert. Ebenso zeigt sich, dass einmal begonnene Netzebenen erst beendet werden, bevor die Bildung einer neuen Netzebene beginnt.

An der Grenze zur Untersättigung werden freiliegende Kanten und Ecken aufgrund ihrer hohen Anzahl verfügbarer Bindungen und damit einhergehender hoher Oberflächenenergie von den anlagernden Bausteinen bevorzugt. Das bedeutet, dass hier die offenen Netzebenen zuerst vervollständigt werden. Dies führt dann zu geraden, linear begrenzten Wachstumsflächen. Wenn das Kristallwachstum lange genug anhält , verschieben sich diese Flächen langsam parallel nach Außen. Entscheidend ist dabei die Wachstumsgeschwindigkeit der einzelnen Flächen in Richtung ihrer Flächennormalen (einer gedachten Linie, die senkrecht auf der Kristallfläche steht).

Bei höherer Übersättigung werden auch weniger günstige Anlagerungspunkte attraktiv. Oft entstehen dann viele verschiedene neue Kristallindividuen und Kristallrasen.

Annäherungsweise ist das Wachstum für jede Fläche einzeln konstant,  die Flächen untereinander aber können sich sehr wohl in ihrer Wachstumsgeschwindigkeit unterscheiden. Das führt dann dazu, dass sich Flächen mit einer relativ geringen Wachstumsgeschwindigkeit ausdehnen, während Flächen mit einer höheren Wachstumsgeschwindigkeit langsam kleiner werden und letztlich sogar verschwinden können. Der so gebildete Kristall wird also von den Flächen mit dem langsamsten Wachstum begrenzt. Dabei können die Wachstumsgeschwindigkeiten einzelner Flächen sehr empfindlich auf einzelne physikalisch-chemische Parameter in der Lösung reagieren. Aus diesem Grund gleicht kaum ein natürlicher Kristall dem anderen. Aus dem unterschiedlichen Wachstum der einzelnen Kristallflächen resultieren die Kristalltracht, also die Gesamtheit der am Kristall entwickelten Flächen und das Kristallhabitus, welcher das Größenverhältnis dieser Flächen zueinander beschreibt.

Zirkonkristall aus einem Granit der Eastern Desert. Eigenes Foto, CC-Lizenz.

Manchmal kann man auch versuchen, aus dem Habitus einer Mineralpopulation in einem Gestein auf die Bildungsbedingungen zu schließen. Es gab einige Versuche dazu, zum Beispiel beim Zirkon von Pupin (1980) und seinen diversen Nachfolgern (zu denen ich mich irgendwie auch zählen darf).

Die Auflösung eines Kristalls kann vereinfacht gesagt als eine umgekehrte Kristallisation verstanden werden, wobei für die Abtrennung eines Bausteins die Abtrennungsarbeit geleistet werden muss. Daher sollte nach den Vorstellungen von Kossel (1927) und Stransky (1928) auch hier mehr oder weniger glatte Flächen zu erwarten sein, weil der Abbau einer einmal angegriffenen Netzebene einfacher zu bewerkstelligen ist als den Angriff auf eine neue, intakte.

In der Natur (und in der Simulation unten) zeigt sich aber, dass ein verstärkter Abbau vor allem an den Ecken und den Kanten eines Kristalls stattfindet. Denn hier haben die betreffenden Bausteine weniger Bindungen zu ihren Nachbarn als in den Flächen, und je weniger Bindung vorhanden sind, desto leichter lässt sich der Baustein überreden, den Kristall zu verlassen und in Lösung zu gehen. Die Monte-Carlo Simulation unten zeigt es deutlich.

Die Lösung greift also bevorzugt an den Ecken und kanten an, der “Lochfraß” in den Flächen ist demgegenüber vergleichsweise gering. Das führt schnell dazu, dass der so angegriffene Kristall seine klar definierten Kanten verliert und mit fortschreitender Lösung immer rundlicher wird. In der Simulation unten hängt die Farbe des betreffenden Bausteins mit den jeweiligen Bindungen zusammen. Rotbraune Bausteine haben jeweils fünf Bindungen, hellbraune vier, gelbe drei und rote nur zwei Bindungen zu ihren Nachbarn. Zu Beginn scheint der Kristall einfarbig, aber schon nach kurzer Zeit zeigen sich die Schwachstellen farblich. In den Flächen dürften die Hauptangriffspunkte meist auf Defekten im Kristallgittern beruhen, wie sie zum Beispiel Zwillingsbildungen oder Domänengrenzen darstellen. Die hier entstehenden Lösungs- oder auch Ätzgruben zeigen meist eine für den betreffenden Kristall charakteristische Form, die auf der Kristallsymmetrie beruht.

Kossel, W.: “Zur Theorie des Kristallwachstums.” Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse 1927 (1927): 135-143. <http://eudml.org/doc/59220>.

Stransky, I.N.I.: Zur Theorie Des Kristallwachstums. Zeitschrift für physikalische Chemie”, vol. 136, N° 3/4, 1928.

J. P. Pupin: Zircon and Granite petrology. Contributions to Mineralogie and Petrololgy 73, Seiten 207-220. 1980