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 Nesseltiere steuern Bakterien fern
21.09.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Die Immunabwehr gegen Pilzinfektionen ausrichten
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften