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 Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der 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: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

Materialinnovationen 2018 – Werkstoff- und Materialforschungskonferenz des BMBF

13.12.2017 | Veranstaltungen

Innovativer Wasserbau im 21. Jahrhundert

13.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Was für IT-Manager jetzt wichtig ist

14.12.2017 | Unternehmensmeldung

30 Baufritz-Läufer beim 25. Erkheimer Nikolaus-Straßenlauf

14.12.2017 | Unternehmensmeldung

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungsnachrichten