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Jul 10, 2023

Dieser seltsame Stein leuchtet von Natur aus im Dunkeln, und jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, wie das geht: ScienceAlert

Das Nachleuchten des Minerals Hackmanit (oder Tenebrescent Sodalith) ist ein faszinierendes Naturphänomen, das den Wissenschaftlern lange Zeit ein Rätsel war – auch wenn wir jetzt in der Lage sind, synthetisches Material zu entwickeln

Das Nachleuchten des Minerals Hackmanit (oder Tenebrescent Sodalite) ist ein faszinierendes Naturphänomen, das den Wissenschaftlern lange Zeit ein Rätsel war – auch wenn wir inzwischen in der Lage sind, synthetische Materialien zu entwickeln, die im Dunkeln effektiver leuchten als alles in der Natur.

Geologen beschrieben das Mineral erstmals im 19. Jahrhundert und waren fasziniert von seiner Tendenz, beim Zerbrechen oder im Dunkeln sanft in einem hellen Rosaton zu leuchten und ihn im Licht zu verlieren. Spätere Forschungen konnten die Chemie hinter dieser Eigenschaft eingrenzen, die genaue Art der Reaktion erwies sich jedoch als schwer fassbar.

Nun beschreibt eine neue Studie genau, wie bestimmte Arten von Hackmanit einen Teil ihres Glanzes behalten, wenn sie von hellen zu dunklen Umgebungen wechseln. Der Schlüssel liegt im feinen Zusammenspiel der natürlichen Verunreinigungen des Minerals, das durch seine Entstehung bestimmt wird.

Ein besseres Verständnis darüber, wie Hackmanit bei Dunkelheit weiße Lumineszenz ausstrahlen kann, wird Wissenschaftlern außerdem dabei helfen, unsere eigenen synthetischen Materialien zu entwickeln, die im Dunkeln ohne Stromquelle leuchten können, wie zum Beispiel auf einem Notausgangsschild.

„Wir haben viel mit synthetischen Hackmaniten geforscht und konnten ein Material entwickeln, dessen Nachleuchten deutlich länger ist als das von natürlichem Hackmanit“, sagt Materialchemikerin Isabella Norrbo von der Universität Turku in Finnland.

„Allerdings sind die Bedingungen, die die Lumineszenz beeinflussen, bisher unklar.“

Eine Kombination aus experimentellen und rechnerischen Daten wurde untersucht, um festzustellen, dass die Konzentrationen und das Gleichgewicht von Schwefel, Kalium, Titan und Eisen für das Nachleuchten von Hackmanit am wichtigsten sind.

Insbesondere wurde festgestellt, dass Titan das tatsächlich leuchtende Element ist, wobei das Leuchten selbst durch Elektronenübertragung erzeugt wird.

Titankonzentrationen allein reichen jedoch nicht aus, um Lumineszenz zu erzeugen, sondern es ist auch die richtige Mischung anderer Elemente erforderlich.

Die Forscher sagen, dass synthetische Materialien durch solche Studien verbessert und effizienter und zuverlässiger gemacht werden können – auch wenn die Natur nicht in der Lage ist, mit der Stärke des Leuchtens mitzuhalten, das im Labor erzeugt werden kann.

„Die derzeit verwendeten Materialien sind alle synthetisch, und das Material mit dem bekannten grünen Nachleuchten erhält seinen Glanz beispielsweise von einem Element namens Europium“, sagt Materialchemiker Mika Lastusaari von der Universität Turku.

„Die Schwierigkeit bei solchen Materialien besteht darin, dass man ihnen zwar das gewünschte Element hinzufügen kann, das Lumineszenz aussendet, ihre Nachleuchteigenschaften aber nicht vorhersehbar sind.“

Für die Studie wurden Hackmanit-Proben aus Grönland, Kanada, Afghanistan und Pakistan verwendet. Ein internationales Team aus Chemikern, Mineralogen, Geologen, Physikern, Statistikern und anderen Wissenschaftlern war daran beteiligt, genau herauszufinden, was mit dem Hackmanit-Glühen geschah.

Ein Teil des Rätsels bestand darin, warum einige Hackmanite leuchten und andere nicht. Durch einen sorgfältigen Vergleich der verschiedenen Proben konnte das Team jedoch die erforderliche Mischung aus orangefarbener Photolumineszenz (die absorbierte Photonen in Licht umwandelt) und blauer anhaltender Lumineszenz erkennen (Licht emittieren ohne Erhitzen) und violetter Photochromismus (eine Form der chemischen Umwandlung, die durch elektromagnetische Strahlung verursacht wird).

Es ist eine komplexe Mischung aus natürlichen Elementen und chemischen Reaktionen, aber das Ergebnis sollten bessere synthetische Materialien sein, die mit dieser Art von Glanz mithalten können. Aus materialwissenschaftlicher Sicht ist es nicht nur wichtig, wie hell die Lumineszenz ist, sondern auch, wie lange sie anhält.

„Mit diesen Ergebnissen haben wir wertvolle Informationen über die Bedingungen erhalten, die das Nachleuchten von Hackmaniten beeinflussen“, sagt Lastusaari.

„Auch wenn es der Natur in diesem Fall nicht gelungen ist, ein Material mit einem so effektiven Glanz wie bei synthetischen Materialien zu formen, hat die Natur maßgeblich zur Entwicklung immer effektiver leuchtender Materialien beigetragen.“

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Chemistry of Materials veröffentlicht.