10.02.2015
Erste 3D-Aufnahmen freier Nanopartikel
Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat mit dem Röntgenlaser FLASH des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY erstmals die dreidimensionale Form frei fliegender Nanopartikel bestimmt. Die Teilchen besitzen demnach einen viel größeren Formenreichtum als erwartet, wie die Physiker der TU Berlin, der Universität Rostock, des US-Beschleunigerzentrums SLAC und von DESY im Fachblatt "Nature Communications" berichten. Die Ergebnisse weisen darüber hinaus einen Weg zu neuen Forschungsansätzen wie zum Beispiel die direkte Beobachtung schneller Veränderungen in Nanopartikeln.
Nanopartikel sind dabei, unseren Alltag zu erobern. Die Anwendungen dieser winzigen, mit dem Auge nicht wahrnehmbaren Teilchen reichen vom Sonnenschutz über Effektlacke, Farbfilter und elektronische Komponenten bis hin zur Krebsbekämpfung. "Die Funktionalität der Nanopartikel ist mit ihrer geometrischen Form verknüpft, die oft experimentell sehr schwierig zu bestimmen ist", erläutert Dr. Ingo Barke von der Universität Rostock. "Das gilt vor allem, wenn sie als freie Teilchen vorliegen, also ohne Kontakt zu einem Untergrund oder einer Flüssigkeit."
Die Gestalt eines Nanopartikels lässt sich aus der charakteristischen Art und Weise berechnen, wie es Röntgenlicht streut. Röntgenquellen wie DESYs FLASH dienen damit als eine Art Supermikroskop für die Nanowelt. Bisher ist die räumliche Struktur von Nanopartikeln üblicherweise aus mehreren zweidimensionalen Aufnahmen rekonstruiert worden, die aus unterschiedlichen Richtungen aufgenommen wurden. Bei Teilchen, die sich auf festen Substraten befinden, ist das kein Problem - sie können aus vielen verschiedenen Richtungen aufgenommen werden, um ihre dreidimensionale Form zweifelsfrei zu rekonstruieren.
"Bringt man Nanopartikel in Kontakt mit einer Oberfläche oder Flüssigkeit, können sie sich jedoch verändern, so dass wir nicht mehr ihre eigentliche Form sehen", sagt Dr. Daniela Rupp von der TU Berlin. Ein freies Teilchen kann im Flug jedoch nur ein einziges Mal abgebildet werden, bevor es aus dem Untersuchungsbereich entkommen ist oder durch das intensive Röntgenlicht zerstört wurde. Daher ist eine Methode notwendig, bei der bereits das Streubild eines einzigen Laserblitzes die volle räumliche Strukturinformation enthält.
Den Physikern um Prof. Dr. Thomas Möller von der TU Berlin und den Rostocker Forschern Prof. Dr. Karl-Heinz Meiwes-Broer und Prof. Dr. Thomas Fennel ist dies nun in Zusammenarbeit mit dem Team am Röntgenlaser FLASH bei DESY mit einem Trick gelungen. Dazu wird das Streubild nicht wie sonst üblich unter einem kleinen Winkel rund um die Richtung des einfallenden Röntgenblitzes aufgenommen, sondern in einem weiten Bereich um das Nanopartikel herum. "Mit diesem Ansatz nehmen wir sozusagen gleichzeitig die Struktur aus vielen unterschiedlichen Richtungen auf, ohne die Teilchen mehrfach belichten zu müssen", erklärt Fennel.
Die Forscher testeten dieses Verfahren an Nanoteilchen aus Silber. Der Test belegt nicht nur, dass diese Methode funktioniert, sondern förderte auch überraschende Ergebnisse zutage. Die Untersuchung zeigt, dass vergleichsweise große Nanoteilchen eine größere Formenvielfalt aufweisen als erwartet.
Die äußere Gestalt von Nanoteilchen resultiert aus unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, besonders aber aus dem Bestreben des Teilchens, seine Energie zu minimieren. Dadurch ergeben sich für große Partikel aus Tausenden oder Millionen von Atomen oft vorhersagbare Formen, da diese Atome nur in einer bestimmten Art und Weise energetisch besonders günstig angeordnet sind.
In ihrer Untersuchung beobachteten die Forscher jedoch zahlreiche hochsymmetrische dreidimensionale Formen, darunter sogenannte Platonische und Archimedische Körper wie der Oktaederstumpf (ein Körper aus acht gleichen Dreiecken, dessen Spitzen gekappt wurden) und der Ikosaeder (ein Körper aus zwanzig gleichen Dreiecken). Letzterer ist eigentlich nur für extrem kleine Teilchen aus wenigen Atomen besonders stabil, und sein Vorkommen bei freien Partikeln dieser Größe war bisher nicht bekannt. "Die Ergebnisse zeigen, dass metallische Nanopartikel eine Art Gedächtnis ihrer Struktur aus frühen Wachstumsstadien bis hin zu einem bisher unerforschten Größenbereich behalten", führt Ingo Barke von der Universität Rostock aus.
Insbesondere wegen der Formenvielfalt war es besonders wichtig, eine schnelle Rechenmethode zu verwenden, um die Gestalt jedes einzelnen Teilchens zuordnen zu können. Die Berliner und Rostocker Forscher bedienten sich dabei eines zweistufigen Verfahrens: Zunächst wurde die grobe Form bestimmt, die dann mit aufwändigen Simulationen an einem Großrechner bis ins Detail verfeinert wurde. Diese Taktik stellte sich als so effizient heraus, dass sie nicht nur eine große Vielfalt an Formen zuverlässig bestimmen, sondern auch unterschiedliche Orientierungen derselben Form unterscheiden konnte.
Die neue Möglichkeit, die dreidimensionale Form und Orientierung von Nanopartikeln mit nur einem einzigen Schuss eines Röntgenlasers bestimmen zu können, eröffnet eine Vielzahl neuer Forschungsrichtungen. Teilchen könnten in zukünftigen Projekten beim Wachstum oder während Phasenübergängen direkt "gefilmt" werden. "Die Reaktion eines Teilchens auf den intensiven Röntgenblitz direkt zu filmen ist ein lang gehegter Traum vieler Physiker, der jetzt Wirklichkeit werden könnte - und das in 3D!", freut sich Daniela Rupp von der TU Berlin.
Das Team der TU Berlin ist eine der Pioniergruppen auf dem Gebiet Röntgenlaser-Forschung. Im Rahmen des Forschungsschwerpunkts mit dem Röntgenlaser FLASH untersucht die Gruppe die Wechselwirkung von intensivem Licht mit Materie, insbesondere mit Nanoteilchen. Wegen ihrer größenabhängigen Eigenschaften sind diese für vielfältige Anwendungen, zum Bespiel im Bereich der Optoelektronik interessant. Diese Anwendungen werden auch in einer von der DFG geförderten Gruppe (FOR 1282) der TU Berlin untersucht.
Quelle: Technische Universität Berlin