Gleichzeitige Messung mit Röntgen- und Neutronenstrahlen

Sollen Nanopartikel untersucht werden, kommen vor allem Röntgen- und Neutronenstrahlen zum Einsatz. Forscher der FAU haben ein spezielles Röntgengerät konstruiert, das in der Lage ist, Nanopartikel in Größe, Form, ihrer inneren Struktur und ihrer Anordnung zueinander zu untersuchen.

Das Besondere daran: Erstmals ist damit ein Gerät entstanden, mit dem sich Proben gleichzeitig mit Röntgen- und Neutronenstrahlen vermessen lassen. In Kürze wird das Gerät an das Institut Laue-Langevin (ILL) im französischen Grenoble gebracht werden, wo es an der stärksten Neutronenquelle der Welt ganz neue Antworten liefern soll.

Unsichtbares wird sichtbar

In den vergangenen zweieinhalb Jahren hat das Forschungsteam um Prof. Dr. Unruh, Professur für Nanomaterialcharakterisierung (Streumethoden), im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes an dem Gerät gearbeitet. Es macht mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung bislang Unsichtbares sichtbar.

Kleinwinkelstreuung wird in vielen Teilbereichen der angewandten Wissenschaften verwendet. Dabei werden Materialien der entsprechenden Strahlung ausgesetzt. Aus der Winkel- und Intensitätsabhängigkeit der Ablenkung der Strahlung, können Forscher auf den Zusammenhang zwischen dem mikroskopischen Aufbau und den Eigenschaften von Materialien wie Härte, Schmelzverhalten, katalytische Aktivität und Absorption von Licht schließen. So wird zum Beispiel die Porosität von Katalysatormaterialien bestimmt, der Zusammenhang zwischen Struktur und Bioverfügbarkeit neuer Arzneimittel untersucht oder die Funktionsweise von DNA-Strukturen erforscht.

Einzigartig an dem neu entwickelten Gerät: zwei Messmethoden lassen sich kombinieren

Einzigartig an dem neu entwickelten Gerät ist, dass es sich mit einer anderen Messmethode, der sogenannten Neutronenkleinwinkelstreuung kombinieren lässt. Das zurzeit wohl weltbeste Neutronenkleinwinkelstreugerät befindet sich am Forschungsreaktor des ILL in Grenoble. Dorthin wird das Röntgengerät im April gebracht, um dauerhaft für kombinierte Röntgen- und Neutronenkleinwinkelmessungen zur Verfügung zu stehen.

Die zwei unterschiedlichen Strahlungsarten - Röntgen- und Neutronenstrahlen - werden verwendet, da sie mit unterschiedlichen Teilen des Materials interagieren. Wenn also unsere Augen zusätzlich zum normalen Sehvermögen noch einen "Röntgenblick" besäßen, würden wir weiterhin die äußere Form und Farbe von Objekten erkennen. Der Röntgenblick würde uns aber zusätzlich einen Blick ins Innenleben der Objekte offenbaren. Analog verhält es sich mit Röntgen- und Neutronenstrahlen. Erstere sind besonders gut geeignet schwere (anorganische) Materie wie Metalle, Oxide und Minerale - dazu gehören beispielsweise auch Knochen - wahrzunehmen, während letztere besonders gut organische Materie wie pflanzliche Zellbestandteile, Tenside in Waschmitteln oder moderne Arzneistoffe sichtbar machen.

Ökologische, preiswerte und langlebige Solarzellen und Displays entwickeln

Die Kombination beider Techniken ermöglicht die Untersuchung komplexer Strukturen auf der Nanoebene. Bisher mussten Versuche dieser Art zeitlich und räumlich getrennt durchgeführt werden. Das neue Instrument wird als erstes seiner Art simultane Messungen an einer Probe mit Röntgen- und Neutronenkleinwinkelstreuung ermöglichen. So können durch den "Röntgenblick" die Bildung sogenannter Quantendots wie sie beispielsweise in modernen Solarzellen verwendet werden beobachtet und gleichzeitig mit dem "Neutronenblick" die Belegung dieser kleinen Partikel mit Farbstoffmolekülen untersucht werden. Nur so lässt sich ein solch komplexer Herstellungsprozess verstehen und dann gezielt optimieren, um die ökologischen, preiswerten und langlebigen Solarzellen und Displays von morgen zu entwickeln.

Quelle: Universität Erlangen-Nürnberg