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Röntgenblitze Freie Nanopartikel erstmals in 3D

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

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, wie die Physiker der Technischen Universität (TU) Berlin, der Universität Rostock, des US-Beschleunigerzentrums SLAC und von DESY berichten. Die Ergebnisse weisen darüber hinaus einen Weg zu neuen Forschungsansätzen wie zum Beispiel die direkte Beobachtung schneller Veränderungen in Nanopartikeln.

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Röntgen-Streubild eines Nanopartikels in Form eines Zwillings-Tetraederstumpfs.
Röntgen-Streubild eines Nanopartikels in Form eines Zwillings-Tetraederstumpfs.
(Bild: Hannes Hartmann/Universität Rostock)

Hamburg – 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.“

Supermikroskop für die Nanowelt

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.

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„Bringt man Nanopartikel in Kontakt mit einer Oberfläche oder Flüssigkeit, können sie sich jedoch verändern, sodass 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.

Nanopartikel mit großem Formenreichtum

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 Nanometer (0,00005 bis 0,00025 Millimeter) 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.

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