Pseudofossilien auf der Spur

 

Baumstein

Fotografie: Klaus Börner

 

Man soll ja bekanntlich nicht immer nur nach dem Äußeren urteilen und das trifft auch auf Baumsteine wie diesen zu, denn nicht alles was aussieht wie ein Fossil, ist auch tatsächlich eines. Hinter dem, was aussieht wie ein winziger Zweig, fein säuberlich mit dem Pinsel auf den Stein gemalt oder wirkt wie ein Pflanzeneinschluss in einem Fossil, verbirgt sich eigentlich ein Phänomen der Chemie: fraktales Kristallwachstum.

 

Tatsächlich bestehen die faszinierenden verzweigten Gebilde in solchen Steinen aus rein anorganischen Materialien und haben mit Pflanzen nicht das Geringste zu tun. In der Fachsprache bezeichnet man sie als Dendriten, deswegen wird Baumstein in der Geologie „Dendritenachat“ genannt. Unter Dendriten versteht man Kristallstrukturen mit fraktaler Form, also solche Formen wie Zweige, Sträucher, Bäume oder auch Schneeflocken, Eisblumen auf Fensterscheiben und viele andere natürliche Gebilde sie aufweisen. Im Falle von Baumsteinen handelt es sich meistens um Zinkdendriten, es gibt aber unzählige Minerale, die Dendriten bilden können, z.B. Blei, Magnesium, Kupfer, Silber und sogar Gold. 

 

Aber wie entstehen nun diese Dendriten, wie kommt es, dass das Metall die Form einer Pflanze annimmt? Ohne genau auf den komplexen Entstehungsprozess von Achat einzugehen, lässt sich sagen, dass fraktales Kristallwachstum immer dann auftritt, wenn der Kristallisationsprozess besonders schnell vonstatten geht und gleichzeitig nur wenig des kristallisierenden Materials vorhanden ist. Das liegt darin begründet, dass sich Teilchen bei der Kristallisation bevorzugt an bereits vorhandenen Festkörpern absetzen, entweder an Fremdkörpern, die man auch als Kristallisationskeime bezeichnet oder an anderen, schon zuvor kristallisierten Teilchen. Auf diese Weise ergeben sich die Dendritenstrukturen. Ist die kristallisierende Substanz nun in ausreichender Menge vorhanden, überlagern die sich immer weiter verzweigenden Dendriten zu kompakten, flächigen Schichten. Ist die Konzentration der Teilchen aber gering, bleibt die fraktale Struktur erhalten. [1]

 

Da Dendriten nicht nur ästhetisch ansprechend sind, sondern auch der Prozess ihrer Entstehung interessant zu beobachten ist, startete meine Versuchsreihe mit dem Ziel, selbst eine solche fraktale Struktur mit möglichst einfachem Versuchsaufbau zu erzeugen. 

 

Eine gute Methode dazu stellt das sogenannte diffusionsbegrenzte Wachstum oder kurz DLA (Abk. für engl. 'diffusion limited aggregation') dar, bei dem es ebenfalls zu einer Anlagerung von Teilchen in verästelten Strukturen kommt. Erzeugen lässt sich ein solches Wachstum bspw. durch die Elektrolyse einer Metallsalzlösung. Dabei lagern sich die Metallionen aus der Lösung an einer Elektrode an. Das Resultat bezeichnet man auch als Brownschen Baum[2]  

Brownscher Baum

Fotografie: Kevin R. Johnson

 

Nach einigen Anlaufschwierigkeiten lieferte die Versuchsreihe (eine detaillierte Beschreibung folgt weiter unten) viele variantenreiche Ergebnisse:

 

 


 

Versuchsbeschreibung

 

Der erste Versuchsaufbau, den ich ausgewählt hatte, bezog sich auf die Elektrolyse einer Zinksulfatlösung. Er verwendete jedoch intensiv riechenden Essigsäure-Butyl-Ester zur Versiegelung der Lösung und erwies sich deswegen in der Praxis als ungeeignet. Ich wechselte also zu einer sehr einfachen Anleitung (experimente-elektrochemie.pdf), für einen Heimversuch gedacht, der sich unproblematischer als Reihe umsetzen ließ. Dabei nahm ich drei kleine Abwandlungen vor: Kupferdraht verwendete ich ausschließlich für die Ringelektrode, als punktförmige Elektrode wählte ich eine handelsübliche Druckbleistiftmine, befestigt mit einer Krokodilsklemme an einem Stativ. Anstelle eines Joghurtdeckels verwendete ich Petrischalen aus Plastik und statt Schmuckdraht abisolierten Klingeldraht. Die neue Materialliste beläuft sich also auf:

 

Verwendete Materialien:

  • Netzgerät (Kröncke 12 08 20)

  • Multimeter 2x (Voltcraft VCT70 und Maphy Unavo 3PN)

  • Kabel

  • Krokodilklemmen

  • Stativstange und Halterung

  • Petrischalen

  • Filterpapier, Schere

  • Knetgummi

  • Kupfersulfat-Lösung (1mol/l)

  • Kupferdraht (Klingeldraht)

  • Graphitminen

 

Anordnung:

 

Durchführung:

Die Durchführung entspricht im Wesentlichen der Originalanleitung, mit Rücksicht auf die oben genannten Materialveränderungen. Die Betriebsspannung betrug 12 Volt, die durchschnittliche Laufzeit 10 - 15 Minuten. 

 

Quellen:

[1] Cordua, B.: „How do dendrites form?“. Unter: http://minds.wisconsin.edu/bitstream/handle/1793/34662/Dendrites.pdf?sequence=1, Informationsabfrage am 03.08.2014.

[2] Unbekannter Autor: „diffusionsbegrenztes Wachstum“. Aus: „Techniklexikon“. Unter: http://www.techniklexikon.net/d/diffusionsbegrenztes_wachstum/diffusionsbegrenztes_wachstum.htm, Informationsabfrage am 04.08.2014.