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Mikroskopaufnahme eines Gold-Silber-Gemischs

"Atomografie" durchschaut winzigste Objekte

Grazer Forscher sind in neue Dimensionen vorgedrungen, um kleinste Objekte zu untersuchen. Sie nennen das "Atomografie". Mit einem Elektronenmikroskop können sie feststellen, wie Objekte im Nanobereich – ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter – aufgebaut sind, welche Eigenschaften sie haben und woraus sie bestehen.

Technologie 30.10.2015

"In der Kombination sind wir weltweit einzigartig, da kann man ruhig auf den Putz hauen", freut sich der Chemiker Gerald Kothleitner von der Technischen Universität (TU) Graz.

Nanocluster aus Gold und Silber

"Auf den Putz hauen" die Forscher in gewisser Weise schon mit ihrer Wortwahl. "Atomografie" gehört nämlich zu den seltenen Wörtern, die Suchmaschinen wie Google bisher nicht kennen (Stand: 29.10: 16.30 Uhr). Ob sich das Wort durchsetzt, wird man sehen. Noch wahrscheinlicher, dass die Grazer Forscher eine neue Ebene der Materialforschung erreicht haben. Wie, schreiben sie in zwei Studien, die soeben in namhaften Fachzeitschriften veröffentlicht wurden.

In der ersten standen sogenannte Nanocluster im Mittelpunkt, also künstlich hergestellte Verbände von Atomen. Im konkreten Fall handelte es sich um ein Gemisch von Gold- und Silberatomen, das vom Institut für Experimentalphysik der Universität Graz stammte: insgesamt ein paar Tausend Atome, die miteinander verbunden bestimmte gewünschte Eigenschaften entwickeln. Nanocluster wie diese werden z.B. als Ausgangsmaterial für Katalysen verwendet, um also chemische Abläufe zu beeinflussen.

Die Studien

"Formation of bimetallic clusters in superfluid helium nanodroplets analysed by atomic resolution electron tomography" ist am 28. 10. 2015 in "Nature Communications" erschienen, "Correlated 3D Nanoscale Mapping and Simulation of Coupled Plasmonic Nanoparticles" am 23. 10. in den "Nano Letters", beide von Georg Haberfehlner und Kollegen.

Das Elektronenmikroskop

Die TU Graz nutzt das Elektronenmikroskop "ASTEM" (Austrian Scanning Transmission Electron Microscope) gemeinsam mit dem Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz, einem Mitglied der Austrian Cooperative Research (ACR), der Vereinigung der Kooperativen Forschungsinstitute der österreichischen Wirtschaft.

Gerald Kothleitner, Philipp Thaler und Georg Haberfehlner von der TU Graz stehen neben dem Elektronenmikroskop

Lunghammer - TU Graz

Gerald Kothleitner, Philipp Thaler und Georg Haberfehlner und das Mikroskop

Materialeigenschaften besser verstehen

Bei derartigen Nanoclustern weiß man zwar, dass sich die einzelnen Atome zusammenballen. Wie und wo genau allerdings nicht: Und genau das haben die beiden Forscherteams um Kothleitner nun herausgefunden. Sie verwendeten dazu das Elektronenmikroskop "ASTEM", eines der leistungsfähigsten Exemplare der Welt. Sein Elektronenstrahl tastet Proben mit einer Genauigkeit von 70 Picometern ab – ein Picometer ist ein Milliardstel Millimeter.

"Mit ASTEM haben wir das Gold-Silber-Gemisch aus verschiedenen Winkeln beleuchtet und so Einzelprojektionen erhalten ", erklärt Gerald Kothleitner. "Aus diesen Einzelberechnungen konnten wir ein 3-D-Objekt berechnen." Und daraus ließ sich wiederum ableiten, wie sich die Atome arrangiert haben und wo sie genau sitzen.

Das Gold-Silber-Gemisch unter dem Mikroskop: links die Struktur, rechts die Verteilung der Atome (dunkle Bereiche sind Silber)

Studie "Formation of bimetallic clusters in superfluid helium nanodroplets analysed by atomic resolution electron tomography" in "Nature Communications" von Gerald Kothleitner et al.

Das Gold-Silber-Gemisch unter dem Mikroskop: links die Struktur, rechts die Verteilung der Atome (dunkle Bereiche sind Silber)

Lichtstreuung besser verstehen

"Wir haben damit erstmals einen dreidimensionalen Blick auf die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Nanoteilchen gewonnen", sagt Kothleitner. Das ist nicht unwesentlich: Denn je genauer man weiß, wie die Atome in Materialien arrangiert sind, desto besser kann man den Herstellungsprozess steuern – um die gewünschten Materialeigenschaften zu einzustellen.

Bei der zweiten Studie haben die Forscher mit Kollegen des Instituts für Physik der Universität Graz die gleiche Methode angewendet, diesmal aber um sogenannte Oberflächenplasmonen dreidimensional zu messen. Dabei handelt es sich um kollektive Schwingungen von Elektronen in metallischen Nanopartikeln. Bei bestimmten Frequenzen führen sie zu einer starken Streuung von Licht und sind z.B. für die leuchtenden Farben von Kirchenglas verantwortlich sind.

Angewendet wird dieses Phänomen etwa für Biosensoren oder bei Solarzellen. Mit Hilfe des Elektronenmikroskops "ASTEM" haben die Forscher um Kothleitner nun quasi "Landkarten der Oberflächenplasmonen" hergestellt – in einer Genauigkeit wie nie zuvor.

Lukas Wieselberg, science.ORF.at

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