Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultradünne Wasserfilme zum Fließen gebracht – ein Flachstrahl für die Röntgenspektroskopie

24.08.2015

Ein wichtiger Fortschritt für die Spektroskopie flüssiger Proben mit weicher Röntgenstrahlung. Gemeinsam mit Kollegen entwickelten Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin ein neues Flachstrahlsystem, das den Weg für neuartige stationäre und zeitaufgelöste Experimente ebnet.

Element-spezifische Röntgenmethoden nehmen eine Schlüsselrolle ein bei der Untersuchung der atomaren Struktur und Zusammensetzung funktionaler Materialien. Mit Hilfe der Röntgenspektroskopie können Oxidationszustände, Abstände, Koordinationszahlen und die Art der nächsten Nachbarn des ausgewählten Elementes bestimmt werden.


Flachstrahlsystem für Flüssigkeiten.

Abb.: MBI

Mit einer großen Vielfalt spektroskopischer Methoden mit Röntgenstrahlung wurden bisher zahlreiche gasförmige, flüssige und feste Proben oder molekulare Systeme an Grenzflächen untersucht. Dabei wurden stationäre und zeitabhängige Materialeigenschaften vorwiegend an Synchrotronstrahlungsquellen und neuerdings an Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern bestimmt.

Die Untersuchung flüssiger Proben mit Absorptionsspektroskopie im weichen Röntgenbereich (im Energiebereich von ca. 0.2 bis 1.5 keV) stellt eine besondere Herausforderung dar. Zum einen müssen die Experimente unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchgeführt werden, in einer Umgebung also, die scheinbar unvereinbar mit dem hohen Dampfdruck von Wasser ist.

Außerdem erfordert die Messung der Transmission aufgrund der großen Absorptionsquerschnitte im weichen Röntgenbereich schwierig zu realisierende Probendicken im Bereich von einem Mikrometer und darunter (1 Mikrometer = 10-6 m = Ein millionstel Meter). Im Gegensatz dazu sind Messungen des Absorptionsspektrums basierend auf dem Nachweis sekundärer Zerfallssignale, wie zum Beispiel der Röntgenfluoreszenz, auf vergleichsweise hoch konzentrierte Proben beschränkt.

Eine Lösung für diese Probleme stellt die Verwendung von Zellen mit dünnen Membran-basierten Fenstern für Transmissionsmessungen dar. Damit kann die Dicke des Flüssigkeitsfilms zwar kontrolliert werden, allerdings können damit keine strahlungsempfindlichen molekularen Proben untersucht werden, da die Probe im Röntgenstrahl oder in einem sichtbaren Laserstrahl in Laser-Anrege und Röntgen-Abfrage Messungen zerstört wird.

Dieser Strahlenschaden wird vermieden, indem die Probe in einem Flüssigkeitsstrahl kontinuierlich ersetzt wird. Mit solchen Flüssigkeitsstrahlen jedoch, wobei die Flüssigkeit durch eine Düse in die Hochvakuumkammer gepresst wird, ist es schwierig oder gar unmöglich, Probendicken im Bereich von einem Mikrometer oder darunter zu realisieren.

In einer Zusammenarbeit haben nun Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) die erfolgreiche Umsetzung eines neuartigen Flachstrahlsystems für Transmissionsmessungen flüssiger Proben im weichen Röntgenbereich gezeigt.

Dabei wurde ein wohlbekanntes Phänomen aus der Fluiddynamik ausgenutzt: Wenn sich zwei identische laminare Flüssigkeitsstrahlen unter einem wohldefinierten Winkel treffen, breitet sich die Flüssigkeit radial aus, was zur Ausbildung eines dünnen blattförmigen Flüssigkeitsfilm senkrecht zur Ebene der beiden Strahlen führt. Dieser Film wird durch eine ebenfalls aus der Flüssigkeit gebildeten Randlippe stabilisiert.

Die Innovation besteht hier darin, dass ein über Stunden stabiler Flachstrahl im Vakuum (bei Drücken kleiner als 10-3 mbar) mit einer Dicke im Bereich von einem bis zwei Mikrometer realisiert und angewendet wurde. Erstmalig konnten damit Absorptionsspektren flüssiger Proben in Transmission mit Photonenenergien im Weichröntgenbereich und völlig ohne Membran-basierte Fenster gemessen werden.

Die röntgenspektroskopischen Messungen wurden an der Synchrotronstrahlungsquelle für weiche Röntgenstrahlung BESSYII des Helmholtz-Zentrums Berlin durchgeführt. Dieser technologische Durchbruch eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die stationäre und zeitaufgelöste Spektroskopie flüssiger Proben mit weicher Röntgenstrahlung.

Abb.: Flachstrahlsystem für Flüssigkeiten mit den beiden Düsen, den beiden kollidierenden laminaren Flüssigkeitsstrahlen und dem 1 mm breiten und 5 mm langen blattförmigen Wasserfilm mit einer Dicke von 1 - 2 Mikrometern. Die Dicke des Films wurde aus Transmissionsmessungen an der Sauerstoff K Absorptionskante bestimmt (links). Das Flachstrahlsystem ermöglicht Absorptionsmessungen im weichen Röntgenbereich in Transmission, wie beispielhaft mit der Messung des Absorptionsspektrums an der Stickstoff K Absorptionskante von Ammoniumchlorid gezeigt werden konnte (rechts).

Originalpublikation: Structural Dynamics 2, 054301 (2015)
A liquid flatjet system for solution phase soft-x-ray spectroscopy
Maria Ekimova, Wilson Quevedo, Manfred Faubel, Philippe Wernet, Erik T.J. Nibbering

Kontakt
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Max-Born-Str. 2A
12489 Berlin

Dr. Maria Ekimova
ekimova@mbi-berlin.de
+49 (0) 30 6392 1454

Dr. Erik T.J. Nibbering
nibbering@mbi-berlin.de
+49 (0) 30 6392 1477

Weitere Informationen:

http://www.mbi-berlin.de

Karl-Heinz Karisch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Etwas lauert im Herzen des Quasars 3C 279
07.04.2020 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quantenphysik: Dispersion der „Bethe Strings” experimentell beobachtet
07.04.2020 | Universität zu Köln

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: Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

Vor ziemlich genau einem Jahr ist das Belle II-Experiment angelaufen. Jetzt veröffentlicht das renommierte Journal Physical Review Letters die ersten Resultate des Detektors. Die Arbeit befasst sich mit einem neuen Teilchen im Zusammenhang mit der Dunklen Materie, die nach heutigem Kenntnisstand etwa 25 Prozent des Universums ausmacht.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der...

Im Focus: Belle II yields the first results: In search of the Z′ boson

The Belle II experiment has been collecting data from physical measurements for about one year. After several years of rebuilding work, both the SuperKEKB electron–positron accelerator and the Belle II detector have been improved compared with their predecessors in order to achieve a 40-fold higher data rate.

Scientists at 12 institutes in Germany are involved in constructing and operating the detector, developing evaluation algorithms, and analyzing the data.

Im Focus: Wenn Ionen an ihrem Käfig rütteln

In vielen Bereichen spielen „Elektrolyte“ eine wichtige Rolle: Sie sind bei der Speicherung von Energie in unserem Körper wie auch in Batterien von großer Bedeutung. Um Energie freizusetzen, müssen sich Ionen – geladene Atome – in einer Flüssigkeit, wie bspw. Wasser, bewegen. Bisher war jedoch der präzise Mechanismus, wie genau sie sich durch die Atome und Moleküle der Elektrolyt-Flüssigkeit bewegen, weitgehend unverstanden. Wissenschaftler*innen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben nun gezeigt, dass der durch die Bewegung von Ionen bestimmte elektrische Widerstand einer Elektrolyt-Flüssigkeit sich auf mikroskopische Schwingungen dieser gelösten Ionen zurückführen lässt.

Kochsalz wird in der Chemie auch als Natriumchlorid bezeichnet. Löst man Kochsalz in Wasser lösen sich Natrium und Chlorid als positiv bzw. negativ geladene...

Im Focus: When ions rattle their cage

Electrolytes play a key role in many areas: They are crucial for the storage of energy in our body as well as in batteries. In order to release energy, ions - charged atoms - must move in a liquid such as water. Until now the precise mechanism by which they move through the atoms and molecules of the electrolyte has, however, remained largely unknown. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now shown that the electrical resistance of an electrolyte, which is determined by the motion of ions, can be traced back to microscopic vibrations of these dissolved ions.

In chemistry, common table salt is also known as sodium chloride. If this salt is dissolved in water, sodium and chloride atoms dissolve as positively or...

Im Focus: Den Regen für Hydrovoltaik nutzen

Wassertropfen, die auf Oberflächen fallen oder über sie gleiten, können Spuren elektrischer Ladung hinterlassen, so dass sich die Tropfen selbst aufladen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben dieses Phänomen, das uns auch in unserem Alltag begleitet, nun detailliert untersucht. Sie entwickelten eine Methode zur Quantifizierung der Ladungserzeugung und entwickelten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte der beobachtete Effekt eine Möglichkeit zur Energieerzeugung und ein wichtiger Baustein zum Verständnis der Reibungselektrizität sein.

Wassertropfen, die über nicht leitende Oberflächen gleiten, sind überall in unserem Leben zu finden: Vom Tropfen einer Kaffeemaschine über eine Dusche bis hin...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium AWK’21 findet am 10. und 11. Juni 2021 statt

06.04.2020 | Veranstaltungen

Interdisziplinärer Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren

03.04.2020 | Veranstaltungen

13. »AKL – International Laser Technology Congress«: 4.–6. Mai 2022 in Aachen – Lasertechnik Live bereits früher!

02.04.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zacken in der Viruskrone

07.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Auf der Suche nach neuen Antibiotika

07.04.2020 | Biowissenschaften Chemie

Belle II liefert erste Ergebnisse: Auf der Suche nach dem Z‘-Boson

07.04.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics