Röntgenblick auf Nanostrukturen

Durch gezielte Strukturierung auf der Nanoebene werden Materialien in vielen Anwendungen oft wesentlich leistungsstärker. Besonders interessant sind dabei solche Materialien, die sich von selbst in der gewünschten Struktur organisieren, ohne dass aufwendige Verfahren dazu nötig sind.

Diese Selbstorganisation hat ein Forschungsteam von der Universität Hamburg, DESY, der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF und der Ludwig-Maximilians-Universität München nun ins Visier genommen.

Mit unterschiedlichen Röntgentechniken beobachteten die Forscherinnen und Forscher die Bildung wenige Nanometer kleiner Kobaltoxid-Kristalle und verfolgten, wie die Kristalle noch während ihrer Entstehung einheitliche Zusammenschlüsse formten. Über die Ergebnisse berichtet das Team im Fachblatt "Nature Communications".

"Nanomaterialien haben jedoch meist eine komplexe Entstehungsgeschichte", betont Dorota Koziej, Professorin am Center for Hybrid Nanostructures (CHyN) an der Universität Hamburg. "Deshalb ist eine einzelne Röntgenmethode nicht ausreichend, alle Schritte des Entstehungsprozesses zu untersuchen. Bei jedem Schritt muss man mit der richtigen Technik ansetzen, und die Teilergebnisse später zu einem Gesamtbild zusammensetzen."

Wenn Röntgenstrahlung sich durch Materie bewegt, wird sie sowohl abgeschwächt (absorbiert), als auch in ihrer Bewegungsrichtung geändert (gestreut). Beide Vorgänge lassen sich getrennt beobachten, und daraus lassen sich Rückschlüsse auf verschiedene Stadien des Entstehungsprozesses eines Nanomaterials ziehen. Aus der Röntgenabsorptionsspektroskopie, also der unterschiedlich starken Absorption von Röntgenlicht je nach dessen Wellenlänge, können chemische Veränderungen in Molekülen erkannt werden. Diese Technik zeigt also, in welchen Schritten sich die Ausgangsstoffe des Nanomaterials umwandeln, noch bevor sich Nanokristalle gebildet haben.

Ab dem Moment, in dem sich die kleinsten Nanokristalle bilden und wachsen, verändert sich dann die Art und Weise, in der das Röntgenlicht von dem Material gestreut wird. "Die Überlagerung, also die Interferenz von Lichtwellen führt dazu, dass in bestimmte Richtungen mehr Licht abgelenkt wird als in andere.

Aus dieser Streuung des Röngenlichtes können wir dann berechnen, wie sich die Form und Größe der Kobaltoxid-Nanokristalle während ihres Entstehungsprozesses entwickeln", erklärt Cecilia Zito, eine der Hauptautorinnen von der Universität Hamburg, die nun an der Sao Paulo State University in Brasilien arbeitet. "Wir können dann auch beobachten, in welcher Weise sich die Nanokristalle aneinanderlagern, sich also selbstständig zu neuen und komplexeren Strukturen verbinden", ergänzt Kilian Frank von der Ludwig-Maximilians-Universität München, ebenfalls Hauptautor der Studie.

"Den Bauplan von Nanomaterialien zu ergründen, bleibt trotzdem eine große Herausforderung. Jede Verbindung ist anders, und viele Wege der Selbstassemblierung verstehen wir noch nicht", sagt Grote. Die beteiligten Forscherinnen und Forscher sind jedoch überzeugt, dass sich dies bald ändert. "Am Ende suchen wir ein Gesamtmodell, mit dem wir die Entstehung komplexer Nanostrukturen ganz allgemein erklären und vorhersagen können", sagt Koziej. "So lernen wir, wie wir am besten auf die dynamischen Prozesse auf der Nanoskala Einfluss nehmen, und letztendlich das volle Potenzial dieser maßgeschneiderten Nanomaterialien ausnutzen."

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Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)