Einblicke in den Nanokosmos mit bisher unerreichter Detailschärfe und Schnelligkeit

Einem deutsch-amerikanischem Team um die TU-Physikerin Tais Gorkhover und Christoph Bostedt vom Argonne National Laboratory und Northwestern University in Chicago ist es gelungen, Explosionen von einzelnen freien Nanopartikeln mit einem Superröntgenmikroskop zu filmen. Dabei wurde erstmals eine Auflösung von unter 8 Nanometern mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung von 100 Femtosekunden kombiniert. Die Belichtungszeit der Aufnahme war so kurz, dass die schnellen gasförmigen Teilchen auf den Bildern wie „eingefroren“ erschienen und deswegen nicht – wie in der Mikroskopie üblich – fixiert werden mussten. Dr. Tais Gorkhover forscht am TU-Institut für Optik und Atomare Physik in der Arbeitsgruppe Cluster und Nanokristalle, die von Prof. Dr. Thomas Möller geleitet wird. Ihre Forschungen finden im Rahmen eines Peter Paul Ewald-Fellowship der Volkswagen-Stiftung an dem SLAC Großforschungslabor der Stanford-Universität in den USA statt. Für die Experimente benutzte das Forscherteam einen einzigartigen Röntgenlaser (Freie Elektronen Laser), der extrem kurze und intensive Röntgenblitze produzieren kann. Die Ergebnisse der Forschungen wurden nun in Nature Photonics publiziert: DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264.

Moderne Abbildungsverfahren sind stark begrenzt, wenn eine Kombination aus hoher Auflösung und extremer Schnelligkeit benötigt wird. Schnelle optische Bildgebungsverfahren konzentrieren sich meist nur auf makroskopische Objekte. Elektronenmikroskope produzieren wesentlich schärfere Bilder, allerdings leidet im Gegenzug die zeitliche Auflösung unter der langen Belichtungszeit. Dieser Umstand führte bis jetzt dazu, dass ultraschnelle Prozesse in freien Nanoteilchen nicht direkt abgebildet werden konnten. Dabei ist das Verständnis von solchen Abläufen fundamental wichtig für ein breites Spektrum an Fragestellungen, reichend von der Klimamodellierung bis zur Nanotechnologie.

Generell können freie Nanopartikel ihre Eigenschaften stark verändern, sobald sie auf Oberflächen fixiert werden. Um die zu untersuchenden Teilchen und ihre Dynamik möglichst unberührt abbilden zu können, wurden die Teilchen deshalb während des freien Fluges durch eine Vakuumkammer abgelichtet. Die winzigen Partikel mit Durchmessern von 40 Nanometern (vergleichbar mit etwa Eintausendstel der Dicke eines menschlichen Haares) bestanden aus festem Xenon. Die Teilchen wurden mit einem intensiven optischen Laser ionisiert, stark erhitzt und zum Explodieren gebracht, um anschließend mit Röntgenblitzen beleuchtet zu werden. Aus einer Vielzahl von Bildern wurde ein Film aus einzelnen Explosionen zusammengesetzt. „Zu unserer Überraschung schienen die explodierenden Teilchen im Laufe der Zeit kleiner zu werden, anstatt, wie erwartet, zu expandieren“, sagt Tais Gorkhover. Dieses unerwartete Ergebnis konnte schließlich mit theoretischen Modellen erklärt werden, in denen die Teilchen nicht gleichmäßig expandieren, sondern von außen nach innen „schmelzen“.

Ein weiterer interessanter Aspekt dieser neuen Methode ist, dass es erstmals gelang, Dynamiken von einzelnen freien Nanoteilchen direkt abzubilden. Bisher basierten die meisten zeitaufgelösten Studien auf der Beobachtung von vielen Partikeln und damit auf durchschnittlichen Werten. Dabei können fundamentale Unterschiede, die zum Beispiel mit der Größe, der Position und der Beschaffenheit der Teilchen zusammenhängen, leicht übersehen werden. „Wir haben bereits in früheren statischen Experimenten bestätigt, dass man mit dieser Herangehensweise unerwartete Effekte entdecken kann, die vorher nicht wahrgenommen wurden. Nun steht dieser Ansatz endlich auch für zeitaufgelöste Abbildungsverfahren zur Verfügung”, sagt Gorkhover.

„Unser Experiment liefert nicht nur fundamentale Einblicke in die Physik von stark überhitzter Materie, sondern ebnet den Weg für eine Vielzahl von zukünftigen Experimenten, die schnelle Dynamiken mit hoher Auflösung in freischwebenden Teilchen untersuchen wollen”, erklärt Christoph Bostedt. Solche Dynamiken sind zum Beispiel bei der Bildung von Aerosolen wichtig, die einen Großteil der Sonnenstrahlung reflektieren können und daher für Klimamodelle bedeutsam sind. Auch die Forschung an lasergetriebenen Fusionsreaktoren und das Gebiet der Nanoplasmonik, einem neuen Gebiet in der Nanotechnologie, wo die Eigenschaften von Nanoteilchen mit intensiven Lichtfeldern kontrolliert werden, könnten von der neuen Methodik profitieren.

Originalveröffentlichung:

Tais Gorkhover and Christoph Bostedt et al.: Femtosecond and nanometre visualization of structural dynamics in superheated nanoparticles, DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.264