Fotobelichtung auf Nanoebene mit Röntgenquelle beobachtet

Neue Möglichkeiten zur Analyse dynamischer Prozesse

Ein internationales Forscherteam hat an DESYs heller Röntgenquelle PETRA III die Belichtung eines Fotopapiers auf der Ebene einzelner Nanokristalle beobachtet. Die Messungen zeigen, wie sich die lichtempfindlichen Körnchen in der fotografischen Emulsion verformen, drehen und schließlich zerfallen.

Das Röntgenstreubild enthält detaillierte Informationen der Nanostruktur des fotosensitiven Films. Aufeinander folgende Bilder zeigen die dynamischen Veränderungen während der Belichtung durch Wandern und Aufspalten einzelner Diffraktionspunkte. (Bild: Jeff (Zhifeng) Huang / UCLA)

Die ausgefeilte Untersuchungstechnik ermöglicht die Millisekunden-genaue Untersuchung eines breiten Spektrums chemischer und physikalischer Prozesse in Materialien. Das Forscherteam unter Leitung von Prof. Jianwei (John) Miao von der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) und Prof. Tim Salditt von der Universität Göttingen stellen ihre Technik und die Beobachtungen damit im Fachblatt „Nature Materials“ vor.

Fotoinduzierte chemische Reaktionen spielen in zahlreichen grundlegenden Prozessen und Technologien eine Rolle, von der Energieumwandlung in der Natur bis zur Mikrofertigung mit Hilfe der Fotolithografie. Ein Beispiel, das sich sogar mit bloßem Auge verfolgen lässt, ist die Belichtung fotografischer Filme. Die Forscher untersuchten die Vorgänge während der Belichtung auf der Ebene der sogenannten Nanokristallite, der lichtempfindlichen Körnchen in der Emulsion. Dazu nutzten sie eine Sorte Fotopapier (Kodak Linagraph-Papier Typ 2167, auch „Yellow Burn Paper“ genannt), das bei Röntgenexperimenten oft zur Strahljustierung verwendet wird. „Das Fotopapier, das wir uns angeschaut haben, ist nicht speziell für Röntgenstrahlung ausgelegt“, erläutert DESY-Forscher Dr. Michael Sprung, Leiter der Messstation P10, an der die Experimente stattfanden.

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Die Röntgenstrahlung diente in dem Versuch nicht nur zur Belichtung des Fotopapiers, sondern auch zur Analyse der inneren Zusammensetzung. Das Papier besitzt einen lichtempfindlichen Film von einigen Mikrometern Dicke, der aus winzigen Silberbromid-Körnchen in einer Gelatineschicht besteht. Die Körnchen haben eine mittlere Dicke von 700 Nanometern. Wenn Röntgenstrahlung auf so ein kristallines Körnchen trifft, wird sie in charakteristischer Weise gebeugt. Aus dem resultierenden Beugungsmuster auf dem Detektor lassen sich Eigenschaften wie die Gitterweite des Kristalls, die chemische Zusammensetzung und die Orientierung ablesen.

„Da der Röntgenstrahl mit einer Ausdehnung von 270 mal 370 Nanometern kleiner war als die mittlere Korngröße, konnten wir individuelle Silberbromid-Körnchen in dem ,Burn‘-Papier beobachten“, erläutert Salditt, der als Partner von DESY die GINIX-Anlage (Göttingen Instrument for Nano-Imaging with X-Rays) an der Messstation P10 mit aufbaut und betreibt.

Die Belichtung mit Röntgenstrahlung startet die sogenannte Photolyse, die Silber aus dem Silberbromid löst. Ein einzelnes Röntgen-Photon kann dabei viele Silberatome lösen, die zu Agglomeraten an der Oberfläche und im Inneren der Silberbromid-Körnchen zusammenwachsen. Die Wissenschaftler konnten nicht nur das Wachstum reiner Silber-Nanokörnchen beobachten, sondern auch wie die Silberbromid-Körnchen unter Druck gerieten, sich zu drehen begannen und in kleinere Kristallite zerbrachen. Der außergewöhnlich helle Strahl von PETRA III zusammen mit einem Hochgeschwindigkeits-Röntgendetektor erlaubte es, diese Prozesse mit einer Zeitauflösung von bis zu fünf Millisekunden zu „filmen“. „Erstmals haben wir die Korndrehung und Gitterdeformation während einer fotoinduzierten chemischen Reaktion beobachtet“, betont Miao. „Wir waren überrascht, wie schnell einige dieser einzelnen Körner rotieren“, ergänzt Sprung. „Manche drehen sich fast einmal in zwei Sekunden.“

Angesichts der rasanten Entwicklung moderner Synchrotron-Strahlungsquellen in den USA, Europa und Asien erwarten die Autoren, „dass die In-Situ-Nanodiffraktion, die eine Messung atomgenauer Beugungsbilder mit Millisekunden-Zeitauflösung ermöglicht, breite Anwendung zur Untersuchung von Phasenübergängen, chemischen Reaktionen, Kristallwachstum, Korngrenzendynamik, Gitterausdehnungen und -kontraktionen in der Materialforschung, den Nanowissenschaften und der Chemie findet.“

Originalveröffentlichung:
Grain rotation and lattice deformation during photoinduced chemical reactions revealed by in situ X-ray nanodiffraction; Zhifeng Huang, Matthias Bartels, Rui Xu, Markus Osterhoff, Sebastian Kalbfleisch, Michael Sprung, Akihiro Suzuki, Yukio Takahashi, Thomas N. Blanton, Tim Salditt und Jianwei Miao: „Nature Materials”, 2015; DOI: 10.1038/NMAT4311.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Michael Sprung
DESY
E-Mail: michael.sprung@desy.de

Prof. Tim Salditt
Universität Göttingen
E-Mail: tsaldit@gwdg.de

Prof. Jianwei (John) Miao
University of California at Los Angeles
E-Mail: miao@physics.ucla.edu

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