Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einblicke in den Nanokosmos mit bisher unerreichter Detailschärfe und Schnelligkeit

29.01.2016

Experiment liefert fundamentale Erkenntnisse über die Physik stark überhitzter Materie / Publikation in Nature Photonics erschienen

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


Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Tais Gorkhover
TU Berlin
Arbeitsgruppe Cluster und Nanokristalle

derzeit am:
SLAC National Accelerator Laboratory
Phone: +1 (650) 926 2227
E-Mail: taisgork@slac.stanford.edu

Christoph Bostedt
Argonne National Laboratory / Northwestern University
Phone +1 630 252 1268
Email: cbostedt@anl.gov

Stefanie Terp | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht
29.05.2017 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V.

nachricht Schnell wachsende Galaxien könnten kosmisches Rätsel lösen – zeigen früheste Verschmelzung
26.05.2017 | Max-Planck-Institut für Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Neue Methode für die Datenübertragung mit Licht

Der steigende Bedarf an schneller, leistungsfähiger Datenübertragung erfordert die Entwicklung neuer Verfahren zur verlustarmen und störungsfreien Übermittlung von optischen Informationssignalen. Wissenschaftler der Universität Johannesburg, des Instituts für Angewandte Optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) präsentieren im Fachblatt „Journal of Optics“ eine neue Möglichkeit, glasfaserbasierte und kabellose optische Datenübertragung effizient miteinander zu verbinden.

Dank des Internets können wir in Sekundenbruchteilen mit Menschen rund um den Globus in Kontakt treten. Damit die Kommunikation reibungslos funktioniert,...

Im Focus: Strathclyde-led research develops world's highest gain high-power laser amplifier

The world's highest gain high power laser amplifier - by many orders of magnitude - has been developed in research led at the University of Strathclyde.

The researchers demonstrated the feasibility of using plasma to amplify short laser pulses of picojoule-level energy up to 100 millijoules, which is a 'gain'...

Im Focus: Lässt sich mit Boten-RNA das Immunsystem gegen Staphylococcus aureus scharf schalten?

Staphylococcus aureus ist aufgrund häufiger Resistenzen gegenüber vielen Antibiotika ein gefürchteter Erreger (MRSA) insbesondere bei Krankenhaus-Infektionen. Forscher des Paul-Ehrlich-Instituts haben immunologische Prozesse identifiziert, die eine erfolgreiche körpereigene, gegen den Erreger gerichtete Abwehr verhindern. Die Forscher konnten zeigen, dass sich durch Übertragung von Protein oder Boten-RNA (mRNA, messenger RNA) des Erregers auf Immunzellen die Immunantwort in Richtung einer aktiven Erregerabwehr verschieben lässt. Dies könnte für die Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs bedeutsam sein. Darüber berichtet PLOS Pathogens in seiner Online-Ausgabe vom 25.05.2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Bakterium, das bei weit über der Hälfte der Erwachsenen Haut und Schleimhäute besiedelt und dabei normalerweise keine...

Im Focus: Can the immune system be boosted against Staphylococcus aureus by delivery of messenger RNA?

Staphylococcus aureus is a feared pathogen (MRSA, multi-resistant S. aureus) due to frequent resistances against many antibiotics, especially in hospital infections. Researchers at the Paul-Ehrlich-Institut have identified immunological processes that prevent a successful immune response directed against the pathogenic agent. The delivery of bacterial proteins with RNA adjuvant or messenger RNA (mRNA) into immune cells allows the re-direction of the immune response towards an active defense against S. aureus. This could be of significant importance for the development of an effective vaccine. PLOS Pathogens has published these research results online on 25 May 2017.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is a bacterium that colonizes by far more than half of the skin and the mucosa of adults, usually without causing infections....

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....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Lebensdauer alternder Brücken - prüfen und vorausschauen

29.05.2017 | Veranstaltungen

49. eucen-Konferenz zum Thema Lebenslanges Lernen an Universitäten

29.05.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz an der Schnittstelle von Literatur, Kultur und Wirtschaft

29.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Intelligente Sensoren mit System

29.05.2017 | Messenachrichten

Geckos kommunizieren überraschend flexibel

29.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

1,5 Millionen Euro für vier neue „Innovative Training Networks” an der Universität Hamburg

29.05.2017 | Förderungen Preise