Polymere mächtig unter Druck
Neues Verfahren ermöglicht Röntgen-Strukturuntersuchungen auch bei extremen Drücken.
Organische Materialien aus kettenförmigen Molekülen, sogenannten konjugierten Polymeren, sind von besonderem Interesse für industrielle Anwendungen, weil sie preisgünstig, einfach herzustellen und von der Form her flexibel sind. Forschern an der Röntgenlichtquelle PETRA III bei DESY ist es nun erstmals gelungen, strukturelle Veränderungen dieser Polymere bei extremen Bedingungen unter 300.000-fachem Atmosphärendruck zu untersuchen. Frühere Studien waren auf ein Viertel dieses Wertes begrenzt.
Abb.: Komprimierte Polymerproben bei Drücken von 1,1 Gigapascal, 7,3 Gigapascal und 31 Gigapascal (v.l.n.r.). Jeder Punkt innerhalb des Rechtecks stellt eine einzelne Probenposition dar, die unterschiedlichen Farben geben die Größe der strukturellen Veränderung an. (Bild: M. Knaapila, Institut für Energietechnik Kjeller)
Da die Kettenstruktur eines Polymers eng mit seinen optoelektronischen Eigenschaften zusammenhängt, können dank des neu zugänglichen Druckbereichs möglicherweise unbekannte Polymerzustände mit neuartigen Eigenschaften entdeckt werden, die in zukünftigen elektronischen Geräten Anwendung finden könnten. Den Autoren der aktuellen Studie zufolge könnte das Komprimieren von Polymeren in neue strukturelle Zustände dazu beitragen, die Suche nach wünschenswerten optoelektronischen Eigenschaften effizienter zu gestalten. „Hoher Druck ist ein eleganter neuer Weg, um strukturelle Veränderungen in konjugierten Polymeren zu erzeugen“, erklärt Matti Knaapila vom Institut für Energietechnik in Kjeller, Norwegen. Wurde bei hohen Drücken eine strukturelle Modifikation mit interessanten optoelektronischen Eigenschaften ermittelt, könnte sie anschließend eingesetzt werden, um die chemische Synthese von Polymeren zu steuern, die sich unter Raumbedingungen ähnlich verhalten.
Um die Durchführbarkeit dieser Methode zu demonstrieren, mussten die Wissenschaftler eine Reihe von Herausforderungen überwinden. „Hochdruck-Experimente werden routinemäßig verwendet, um Mineralien und Gesteine zu untersuchen“, sagt Knaapila. „Die Methode wird aber nur selten bei konjugierten Polymeren angewandt, die sehr viel empfindlicher sind.“ Im Prinzip möchten die Forscher den größtmöglichen Druckbereich ausnutzen, denn je höher der Druck, desto größer die in der Polymerstruktur erzeugten Veränderungen. Doch wie viel Druck können Polymere aushalten? Und werden die Polymere durch die intensiven Röntgenstrahlen beschädigt, mit denen die Forscher die strukturellen Auswirkungen des Drucks analysieren?
Frühere Studien deuteten zudem darauf hin, dass Hochdruck-Experimente an Polymeren oberhalb von etwa 80.000-fachem Atmosphärendruck sehr anspruchsvoll und schwierig zu interpretieren sind. Oberhalb dieser Grenze wird die Kompression des Polymers ungleichmäßig und bewirkt strukturelle Veränderungen, die sich nicht mehr gleichförmig durch die gesamte Probe hindurchziehen. Darüber hinaus werden die zur Bestimmung der Polymerstruktur verwendeten Röntgensignale bei höheren Drücken schwächer und sind zunehmend schwer nachzuweisen.
Die Forscher konnten diese Herausforderungen an der Strahlführung für extreme Bedingungen (Extreme Conditions Beamline) an PETRA III meistern. „Mit ihrem äußerst brillanten und scharf fokussierten Röntgenstrahl ist unsere Strahlführung eines der führenden Instrumente auf dem Gebiet der Hochdruck-Röntgenforschung“, sagt DESY-Wissenschaftler Hanns-Peter Liermann, der Verantwortliche für die Experimentierstation.
Die Wissenschaftler platzierten eine Polymerprobe in einer Druckzelle – einer so genannte Diamantstempelzelle – und erhöhten den Druck allmählich auf einen maximalen Wert, der viermal größer war als in früheren Studien. Gleichzeitig schickten sie den brillanten, gebündelten Röntgenstrahl von PETRA III durch die Probe, um deren innere Struktur zu untersuchen. Dank der Röntgenleistung und einer optimierten Diamantstempelzelle, die Hintergrundsignale minimiert, konnten die Forscher die schwachen Signale nachweisen, die strukturelle Veränderungen anzeigen.
Da der Röntgenstrahl nur wenige Mikrometer breit und kleiner als die Probe selbst war, konnten die Forscher sie schrittweise abtasten und Abweichungen der strukturellen Veränderungen innerhalb der Probe lokalisieren, die durch eine ungleichmäßige Druckverteilung im Inneren der Druckzelle verursacht wurden.
Darüber hinaus machte das Forscherteam die entscheidende Beobachtung, dass alle strukturellen Veränderungen beim Wiederherstellen der Raumbedingungen vollständig reversibel waren, und konnten somit Bedenken ausräumen, dass extremer Druck und intensives Röntgenlicht die Probe beschädigen.
Mit ihrer Arbeit haben die Wissenschaftler zum ersten Mal gezeigt, dass sie strukturelle Veränderungen in konjugierten Polymeren unter zuvor unerreicht hohen Drücken zuverlässig untersuchen können, selbst wenn der Druck nicht mehr gleichförmig ist. „Unsere Methode eröffnet der Forschung an konjugierten Polymeren einen völlig neuen Druckbereich“, erklärt Liermann. „In diesem Bereich finden wir womöglich strukturelle Veränderungen, die mit neuen optoelektronischen Effekten einhergehen.“
DESY / DE
