23.02.2011

Nanopartikel in atomarer Auflösung

Dreidimensionale Struktur von einzelnen Nanoteilchen auf atomarer Basis bestimmt.


Dreidimensionale Struktur von einzelnen Nanoteilchen auf atomarer Basis bestimmt.

Die Eigenschaften von Nanopartikeln werden bestimmt durch ihre dreidimensionale Struktur, die atomare Anordnung und im Besonderen auch durch die Oberflächenbeschaffenheit. Wissenschaftlern der Empa und der ETH Zürich ist es gemeinsam mit niederländischen Kollegen nun gelungen, die dreidimensionale Struktur einzelner Nanopartikel in atomarer Auflösung zu bestimmen.

Für ihre elektronenmikroskopischen Untersuchungen präparierten die Forscher Silber-Nanoteilchen in einer Aluminium-Matrix. Die Matrix vereinfacht es, die Nanopartikel unter dem Elektronenstrahl in verschiedene kristallographische Orientierungen zu kippen und schützt gleichzeitig die Partikel vor Schäden durch die Elektronenstrahlen. Voraussetzung für die Studie war ein spezielles Elektronenmikroskop, das eine maximale Auflösung von weniger als 50 Pikometer erreicht, was etwa einem halben Elektronendurchmesser entspricht.

Die Wissenschaftler nutzten für ihre Experimente ein Mikroskop am kalifornischen Lawrence Berkeley National Laboratory. Zur Schonung der Probe wurde das Elektronenmikroskop so eingestellt, dass es auch bei niedriger Beschleunigungsspannung, bei 80 Kilovolt, Bilder in atomarer Auflösung lieferte. Normalerweise arbeiten derartige Elektronenmikroskope bei 200 oder 300 Kilovolt. Vervollständigt wurden die experimentellen Daten durch zusätzliche elektronenmikroskopische Messungen an der Empa.

Abb.: (a) Aufnahme eines Silber-Nanoteilchens, das in eine Aluminium-Matrix eingebettet ist, zusammen mit dem korrespondierenden Elektronenbeugungsbild. (b) Verfeinertes Modell des eingerahmten Ausschnitts in a. (c) Anzahl der Silberatome Bildpunkt, aufsummiert über die Tiefe. (Bild: S. Van Aert et al., Nature)

Anhand der mikroskopischen Aufnahmen ließen sich Modelle erstellen, die die Aufnahmen „schärften“ und deren Quantifizierung erlaubten. Dadurch konnten die Forscher die einzelnen Silberatome im Kristallgitter des Nanoteilchens entlang der unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen zählen. Mit Hilfe eines Tomographie-Spezialisten wurde die Anordnung der Atome im Nanopartikel tomographisch rekonstruiert. Lediglich zwei Aufnahmen genügten, um ein Nanoteilchen nachzubilden.

ETH Life / MH

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