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Freie Nanopartikel erstmals in 3D - Forscherteam nutzt DESYs Röntgenlaser als Supermikroskop

Terahertz-KalorimetrieWie sich Wasser in der Umgebung von gelösten Molekülen verhält

Hat Idee des Terahertz-Kalorimeters realisiert: Martina Havenith

Chemikerinnen und Chemiker der Ruhr-Universität Bochum haben eine neue Methode entwickelt, mit der sie Veränderungen in der Energie und Struktur von Wassermolekülen in der Umgebung gelöster Moleküle erfassen können. 

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Freie Nanopartikel erstmals in 3DForscherteam nutzt DESYs Röntgenlaser als Supermikroskop

Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat mit DESYs Röntgenlaser FLASH erstmals die dreidimensionale Form frei fliegender Silber-Nanopartikel bestimmt. Die winzigen Teilchen, hunderte Male dünner als ein menschliches Haar, besitzen demnach einen viel größeren Formenreichtum als erwartet.

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Röntgen-Streubild

Darüber berichten Physiker der Technischen Universität (TU) Berlin, der Universität Rostock, des US-Beschleunigerzentrums SLAC und von DESY im Fachblatt „Nature Communications“. 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 elektronischen Komponenten bis hin zum medizinischen Einsatz, etwa 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.“

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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. Thomas Möller von der TU Berlin und Prof. Karl-Heinz Meiwes-Broer und Prof. Thomas Fennel von der Universität Rostock ist dies nun in Zusammenarbeit mit den Kollegen von SLAC und DESY am Röntgenlaser FLASH 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 50 bis 250 nm kleinen Nanoteilchen aus Silber, die in einem Trägergas durch den Röntgenstrahl geleitet wurden. 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 freien 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 den Oktaederstumpf (ein Körper aus acht gleichen Dreiecken, dessen Spitzen gekappt wurden) und den 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 Barke aus.

Insbesondere wegen der Formenvielfalt war es besonders wichtig, eine schnelle Rechenmethode zu verwenden, um die Gestalt jedes einzelnen Teilchens zuordnen zu können. Die 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 dreidimensional „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 Rupp.

Originalveröffentlichung:
„The 3D-architecture of individual free silver nanoparticles captured by X-ray scattering", Ingo Barke, Hannes Hartmann, Daniela Rupp, Leonie Flückiger, Mario Sauppe, Marcus Adolph, Sebastian Schorb, Christoph Bostedt, Rolf Treusch, Christian Peltz, Stephan Bartling, Thomas Fennel, Karl-Heinz Meiwes-Broer und Thomas Möller. Nature Communications, 2015. DOI: 10.1038/ncomms7187.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Ingo Barke
Universität Rostock
E-Mail: ingo.barke@uni-rostock.de

Dr. Daniela Rupp
TU Berlin
E-Mail: daniela.rupp@physik.tu-berlin.de

Dr. Rolf Treusch
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
E-Mail: rolf.treusch@desy.de

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