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Röntgenblitze

Freie Nanopartikel erstmals in 3D

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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.

Metallische Nanopartikel haben eine Art Gedächtnis ihrer Struktur

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.

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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.

Originalpublikation: „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

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