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15.08.2016

Neue Röntgen-Analysemethode gibt 3D Einblicke in mikro- und nanokristalline Materialien


Forscher an der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) haben eine neue Methode entwickelt, um die 3-dimensionale Orientierung von Mikro- und Nano-Kristallen in komplexen Materialien abzubilden.

Mikro- und nanokristalline Materialien sind nicht nur in der Natur allgegenwärtig (Holz, Knochen, Zähne), sondern gewinnen auch im technologischen Einsatz zunehmend an Bedeutung (nanokristalline Metall-Legierungen, etc.). Dabei ist die Orientierung der winzigen Kristalle oft maßgeblich für die makroskopischen Eigenschaften.

Ein wesentlicher Fortschritt in der Strukturanalyse gelang einem internationalen Team um die Physikerin Helga Lichtenegger. Sie verwendeten dazu intensive weiße Röntgenstrahlung am europäischen Großforschungszentrum ESRF (The European Synchrotron) in Grenoble und einen flächigen Röntgendetektor, der Röntgenlicht mit unterschiedlicher Wellenlänge selektiv detektiert ("Röntgenfarbkamera"). Dieser ähnelt einer digitalen Farbkamera für sichtbares Licht und wurde vor einigen Jahren eigentlich für die Weltraumforschung entwickelt.

Die Forscher verwendeten einen solchen Detektor für die Messung der Streustrahlung, die bei Auftreffen des weißen Röntgenlichts an kristallinen Materialien entsteht. Üblicherweise erhält man dadurch ein 2-dimensionales Interferenzbild. In einem innovativen Ansatz und mit einem neuartigen Messaufbau entwickelt von Erstautor Tilman Grünewald gelang es den Forschern, die Energie der Röntgenstrahlung (die "Röntgenfarben") dazu zu verwenden, um Information über die fehlende dritte räumliche Dimension zu erhalten. Somit kann an jedem Messpunkt die 3-dimensionale Kristallorientierung bestimmt werden. Gleichzeitig erhält man durch Röntgenfluoreszenz im Material Einblick in dessen chemische Zusammensetzung.

Die Forscher veröffentlichten die erste Anwendung ihrer neuen Methode zur Abbildung der Orientierung von graphitischen Schichten in Kohlenstoff-Fasern sowie der Orientierung von kleinen Kalzitkristallen im Chitinpanzer von Hummer.

Die Technik ist auf viele andere Materialien anwendbar und liefert durch Abrastern der Probe mit einem feinen Röntgenstrahl Mikroskopbilder der 3D-Kristallstruktur und chemischen Zusammensetzung ("Röntgenfarbmikroskopie"). Wir erhalten damit ein innovatives Analyse-Tool für die zukünftige Materialforschung, die sich schon jetzt stark in Richtung komplexe mikro- und nanostrukturierte Materialien bewegt.

—> Originalpublikation

Quelle: Universität für Bodenkultur, Wien




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