06.01.2022

Hüpfende Heliumtropfen

Nanotröpfchen aus Helium verhalten sich bei Aufprall auf harte Oberfläche wie Wassertropfen.

Bei der Arbeit mit Helium-Nanotröpfchen sind Wissenschaftler der Universität Innsbruck um Fabio Zappa und Paul Scheier auf ein über­raschendes Phänomen gestoßen: Treffen die ultrakalten Tröpfchen auf eine harte Oberfläche, verhalten sie sich wie Wasser­tropfen. Ionen, mit denen sie zuvor dotiert wurden, bleiben so beim Aufprall geschützt und werden nicht neutralisiert.

Abb.: Ionen in einem Helium-Nanotröpfchen bleiben beim Aufprall geschützt....
Abb.: Ionen in einem Helium-Nanotröpfchen bleiben beim Aufprall geschützt. (Bild: U. Innsbruck)

Am Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck nutzt die Arbeits­gruppe um Paul Scheier seit rund 15 Jahren Helium-Nanotröpfchen für die Untersuchung von Ionen mit massen­spektro­metrischen Methoden. Mit Hilfe einer Überschall­düse lassen sich winzige, supraflüssige Helium-Nanotröpfchen mit Temperaturen von weniger als einem Grad Kelvin erzeugen. Atome und Moleküle können sehr effektiv von diesen eingefangen werden. Im Fall von ionisierten Tröpfchen lagern sich die zu untersuchenden Teilchen an den Ladungen an, die dann im Massen­spektrometer vermessen werden. Bei ihren Experimenten sind die Wissenschaftler nun über ein interessantes Phänomen gestolpert, das ihre Arbeit fundamental verändert hat. „Für uns war das ein Game-Changer“, sagt Fabio Zappa aus dem Nano-Bio-Physik-Team. „Alles bei uns wird jetzt mit dieser neu entdeckten Methode gemacht.“

Wenn man geladene Teilchen auf eine Metallplatte schießt, werden diese normalerweise durch die vielen freien Elektronen an der Metall­oberfläche neutralisiert. Im Massen­spektrometer können sie dann nicht mehr gemessen werden. Wenn die Ionen aber in einem Helium-Nanotröpfchen eingepackt sind, bleiben sie beim Aufprall geschützt und fliegen oftmals mit einigen schwach gebundenen Helium­atomen in alle Richtungen davon. „Die Ionen werden durch das Helium offenbar geschützt“, sagt Zappa. Den genauen Grund dafür kennt er noch nicht. „Es deutet aber einiges darauf hin, dass das Helium seine supraflüssige Eigenschaft vor dem Aufprall verliert und sich dann wie eine Flüssigkeit verhält, von der Oberfläche wegspritzt und erst danach teilweise verdampft.“

Ein anderer möglicher Grund könnte sein, dass die ersten Tröpfchen an der Oberfläche verdampfen und eine Gasschicht bilden, die die nachfolgenden Tröpfchen abbremst und auf diese Weise vor dem Verdampfen schützt. Erst weitere Untersuchungen werden zeigen, ob eine dieser Deutungen richtig ist oder andere Gründen vorliegen. Dass diese Methode auch mit negativen Ionen funktioniert, die normalerweise sehr fragil sind, deutet für die Wissenschaftler auf einen starken Effekt des bisher unbekannten Phänomens hin.

Das Team um Paul Scheier hat mit dieser Entdeckung nicht nur die eigene Messmethode verbessert, sondern auch wichtige Einsichten für andere Forschungs­gruppen gewonnen, die sich zum Beispiel mit der Ablagerung von Nanoteilchen auf Oberflächen beschäftigen. „Ein schönes Beispiel dafür sind Metall­nanoteilchen“, erzählt Scheier. „In vielen modernen Technologien finden sich Nanoteilchen aus Metall, die sehr spezielle Eigenschaften haben.“ Dass die Erzeugung solcher Nanofilme oft sehr ineffizient sein kann, könnte auch mit dem nun in Innsbruck entdeckten Phänomen zusammenhängen.

U. Innsbruck / DE

 

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