Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spot an in der Nanowelt: Struktur kleinster Kristalle wird sichtbar gemacht

06.09.2011
Mainzer Methode der Elektronenmikroskopie wird international nachgefragt – Strukturanalyse von Zeolith in Science veröffentlicht

An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde eine grundlegende Methode entwickelt, um Strukturen auf der Nanoebene sichtbar zu machen. Damit ist die Anordnung von Atomen und Molekülen in unterschiedlichen Feststoffen von Zement bis hin zu Pharmaka genau festzustellen.


Mesoporen des Zeoliths ITQ-43
Abb.: Dr. José Louis Jorda, Valencia

Das noch junge Verfahren aus der Elektronenmikroskopie kann die Struktur winzigster Kristalle auflösen. Die Methode wurde in der Arbeitsgruppe von Dr. Ute Kolb am Institut für Physikalische Chemie entwickelt und findet mittlerweile internationale Beachtung. In Kooperation mit Wissenschaftlern aus Spanien und China konnte damit gerade die Struktur eines neuartigen feinporigen Zeolithen bestimmt werden, eine Arbeit, die das Wissenschaftsjournal Science Ende August publiziert hat. „Wir haben eine Tür zu den Nanostrukturen aufgestoßen“, beschreibt Ute Kolb die Erfolge.

Die Anordnung der Atome oder Moleküle in einem Festkörper bestimmt maßgeblich die physikalischen Eigenschaften eines Materials. Die Analyse solcher Strukturen erfolgte erstmals im Jahr 1895 mithilfe von Röntgenstrahlung, einer Methode, die sich seither zu einem Standardverfahren entwickelt hat. Zu den Anfängen gehörte 1912 die Entdeckung, dass Kristalle aus kleinen Gittern aufgebaut sind, was die Vielfalt an thermischen, elektrischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften bedingt. „Dass diese Methode immensen Einfluss auf unser Verständnis von Festkörpern und deren Eigenschaften hatte und immer noch hat, zeigt sich in der Vielzahl der Nobelpreise, die eine Strukturanalyse einschließen“, beschreibt Kolb den Siegeszug der Röntgenstrukturanalyse.

Im Zeitalter der Nanotechnologie wendet sich die Wissenschaft jedoch vermehrt sehr kleinen Partikeln zu, die mit der Röntgenstrukturanalyse nicht mehr zu erfassen sind. So ist eine Einkristall-Röntgenstrukturanalyse nur bis zu einer Kristallgröße von etwa einem Mikrometer möglich, also einem Tausendstel Millimeter. Unterhalb dieser Grenze, im Reich der Nanostrukturen, erlaubt erstmals die Elektronenbeugungstomographie oder Automated Diffraction Tomography (ADT) eine vergleichbare Strukturaufklärung an einzelnen Kristalliten: „Das ist, als würden wir Licht anschalten in der Welt der Nanostrukturen“, sagt Kolb. Die Methode beruht wie bei der Elektronenmikroskopie generell darauf, dass ein Elektronenstrahl auf ein Objekt trifft und dadurch gebeugt wird. Aus dem Beugungsverhalten lässt sich die Lage der Atome ermitteln.

Kolb hat die Einkristall-Elektronenbeugungstomographie, so die vollständige Bezeichnung, mit ihrer Arbeitsgruppe in den letzten zehn Jahren entwickelt. Ihren ersten Erfolg verbuchte sie 2009, als die Struktur von Bariumsulfat gelöst werden konnte. „Seitdem explodiert die Menge der Materialien, die wir entschlüsseln“, so die Chemikerin. Jüngstes Beispiel ist die Strukturbestimmung des Zeolithen ITQ-43 in Kooperation mit spanischen und chinesischen Wissenschaftlern. Zeolithe sind Kristalle aus einer Verbindung von Aluminium und Silikat, die kleine Poren aufweisen und daher für die Energie- und Umwelttechnik interessant sind, beispielsweise als Adsorber, Ionentauscher oder Katalysatoren. Bei der Wasseraufbereitung tragen sie dazu bei, Schwermetalle herauszufiltern. In der Erdöl-und Erdgasindustrie kam ihre Einführung beim Rohöl-Cracking einer kleinen Revolution gleich, aber sie begegnen uns auch überall im Alltag, beispielsweise im Waschpulver. Die Forscher um Avelino Corma von der Technischen Universität Valencia haben einen Zeolithen mit mittelgroßen und kleinen Poren synthetisiert, deren Kombination wie ein Trichter wirkt und so die katalytischen Eigenschaften noch weiter verbessert. Wie die komplexe Kristallstruktur mithilfe der ADT analysiert wurde, beschreibt das Forscherteam in seinem Beitrag in Science.

„Je kleiner die Zeolithkristalle vorliegen, desto höher ist ihre katalytische Effizienz“, erklärt Kolb. Bei einer Kristallgröße von etwa 100 Nanometern, was vergleichbar ist mit einem 800stel eines menschlichen Haars, kann oft nur die automatische Beugungstomographie die Struktur vollständig und klar auflösen. „Es gibt eine große Anzahl von natürlichen und synthetischen Feststoffen, für die unser Verfahren in Frage kommt, weil sie nicht in geeigneter Kristallgröße vorliegen oder nicht hergestellt werden können.“ So hat Kolb in den vergangenen zwei Jahren die unterschiedlichsten Materialien unter ihr Mikroskop gelegt, von Farbpigmenten über Titanate für die Solartechnik bis zu Mineralien wie Charoit, einem sehr begehrten russischen Schmuckstein.

Im Vergleich zu herkömmlichen elektronenmikroskopischen Charakterisierungen ist die Elektronenbeugungstomographie wesentlich schneller, genauer und vollständiger. Wurden früher Strukturen zwei Jahre lang erforscht, so erhält man sie mit der ADT heute in nur einem Tag. Auch strahlempfindliche Stoffe sind prinzipiell für die Methode, die Kolb als „Computertomographie für Kristalle“ bezeichnet, geeignet. Mit der Computertomographie teilt die ADT auch ein Merkmal, das überhaupt zu ihrem Erfolg geführt hat: die Untersuchungsprobe wird unter dem Elektronenmikroskop schrittweise gekippt, um Daten aus ganz unterschiedlichen Positionen zu sammeln. Mit diesem Trick umgehen die Wissenschaftler das zentrale Problem: die starke Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probe hatte bislang die Elektronenbeugung massiv erschwert.

Dr. Ute Kolb ist seit 2008 Akademische Oberrätin am Institut für Physikalische Chemie und am Zentrum für hochauflösende Elektronenmikroskopie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz mit dem Spezialgebiet „Elektronenkristallographie". Die jüngste Arbeit hat sie Ende August bei einer Konferenz in Madrid vorgestellt, wo sie auch in das Leitungsgremium der Commission for Electron Crystallography der International Union of Crystallography gewählt worden ist.

Um den Ausbau der Methode voranzutreiben, kooperieren die Mainzer Chemiker mit Univ.-Prof. Dr. Elmar Schömer vom Institut für Informatik sowie mit Prof. Dr. Thorsten Raasch vom Institut für Mathematik der Johannes Gutenberg-Universität.

Veröffentlichung:
Jiuxing Jiang, Jose L. Jorda, Jihong Yu, Laurent A. Baumes, Enrico Mugnaioli, Maria J. Diaz-Cabanas, Ute Kolb, Avelino Corma
Synthesis and Structure Determination of the Hierarchical Meso-Microporous Zeolite ITQ-43
Science, 26 August 2011
DOI: 10.1126/science.1208652
Weitere Informationen:
Dr. Ute Kolb
Institut für Physikalische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-24154
Fax +49 6131 39-23768
E-Mail: kolb@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.sciencemag.org/content/333/6046/1131.full.html
http://www.staff.uni-mainz.de/kolb/index.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zebras: Immer der Erinnerung nach
24.05.2017 | Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseen

nachricht Wichtiges Regulator-Gen für die Bildung der Herzklappen entdeckt
24.05.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten