21.04.2022 - Columbia University

Tiefere Einblicke in Nanomaterialien

Neues 3D-Imaging-Tool zeigt konstruierte und selbst zusammengesetzte Nanopartikel-Gitter mit der bisher höchsten Auflösung

Von der Entwicklung neuer Biomaterialien bis hin zu neuartigen photonischen Geräten eröffnen neue Materialien, die durch ein Verfahren namens Bottom-up-Nanofabrikation oder Selbstmontage hergestellt werden, den Weg zu neuen Technologien mit auf der Nanoskala abgestimmten Eigenschaften. Um das Potenzial dieser neuen Materialien voll auszuschöpfen, müssen die Forscher jedoch in ihre winzigen Kreationen "hineinsehen", damit sie das Design und die Herstellung kontrollieren können, um die gewünschten Eigenschaften des Materials zu ermöglichen.

Dies ist eine komplexe Herausforderung, die Forscher von Columbia Engineering und dem Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) zum ersten Mal gemeistert haben, indem sie das Innere eines neuartigen Materials, das sich aus Nanopartikeln zusammensetzt, mit einer Auflösung von sieben Nanometern - etwa 1/100.000 der Breite eines menschlichen Haares - abgebildet haben. In einem neuen Artikel, der am 6. April 2022 in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher die Leistungsfähigkeit ihrer neuen hochauflösenden Röntgenbildgebungstechnik, mit der sie die innere Struktur des Nanomaterials sichtbar machen konnten.

Das Team hat das neue Nanomaterial unter Verwendung von DNA als programmierbares Baumaterial entwickelt, das es ihnen ermöglicht, neuartige technische Materialien für Katalyse, Optik und extreme Umgebungen zu schaffen. Während des Entstehungsprozesses dieser Materialien verschieben sich die verschiedenen Bausteine aus DNA und Nanopartikeln auf der Grundlage eines von den Forschern definierten "Bauplans" - einer so genannten Vorlage - von selbst an ihren Platz. Um diese winzigen Strukturen mit Röntgenstrahlen abbilden und nutzen zu können, mussten sie jedoch in anorganische Materialien umgewandelt werden, die Röntgenstrahlen widerstehen und gleichzeitig nützliche Funktionen bieten. Zum ersten Mal konnten die Forscher die Details, einschließlich der Unvollkommenheiten innerhalb ihrer neu angeordneten Nanomaterialien, sehen.

"Unsere DNA-basierte Anordnung von Nanomaterialien bietet zwar ein enormes Maß an Kontrolle zur Feinabstimmung der gewünschten Eigenschaften, aber sie bilden keine perfekten Strukturen, die vollständig dem Bauplan entsprechen. Ohne detaillierte 3D-Bildgebung mit Einzelpartikelauflösung ist es daher unmöglich zu verstehen, wie man effektive selbst zusammengesetzte Systeme entwirft, wie man den Zusammensetzungsprozess abstimmt und inwieweit die Leistung eines Materials durch Unvollkommenheiten beeinträchtigt wird", so der korrespondierende Autor Oleg Gang, Professor für Chemieingenieurwesen und für angewandte Physik und Materialwissenschaft an der Columbia Engineering und Wissenschaftler am Brookhaven Center for Functional Nanomaterials (CFN).

Schaffung neuer Nanostrukturen in den Labors von Columbia und Brookhaven

Als Nutzereinrichtung des DOE Office of Science bietet das CFN eine breite Palette von Werkzeugen für die Herstellung und Erforschung neuartiger Nanomaterialien. In den Labors des CFN und von Columbia Engineering haben Gang und sein Team erstmals neue Nanostrukturen gebaut und untersucht. Mit Hilfe der DNA-basierten Montage als neuem Herstellungswerkzeug im Nanomaßstab und der präzisen Schablonenherstellung mit anorganischen Materialien, die DNA und Nanopartikel beschichten können, konnten die Forscher eine neuartige komplexe 3D-Architektur demonstrieren.

"Als ich vor fünf Jahren zum Forschungsteam kam, hatten wir die Oberfläche unserer Baugruppen sehr gut untersucht, aber die Oberfläche ist nur oberflächlich. Wenn man nicht tiefer gehen kann, wird man nie sehen, dass sich darunter ein Blutsystem oder Knochen befinden. Da der Aufbau im Inneren unserer Materialien deren Leistung bestimmt, wollten wir tiefer gehen, um herauszufinden, wie er funktioniert", so Aaron Noam Michelson, Erstautor der Studie, der bei Gang promoviert hat und jetzt als Postdoc am CFN arbeitet.

Und das Team ging noch tiefer und arbeitete mit den Forschern an der HXN-Beamline (Hard X-ray Nanoprobe) an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) zusammen, einer weiteren Einrichtung des DOE Office of Science, die sich im Brookhaven Lab befindet. Die NSLS-II ermöglicht es den Forschern, Materialien mit einer Auflösung im Nanobereich und einer exquisiten Empfindlichkeit zu untersuchen, indem sie ultrahelles Licht von Infrarot bis hin zu harter Röntgenstrahlung liefert.

"An der NSLS-II haben wir viele Werkzeuge, mit denen man mehr über ein Material erfahren kann, je nachdem, woran man interessiert ist. Was HXN für Oleg und seine Arbeit interessant machte, war, dass man die tatsächlichen räumlichen Beziehungen zwischen den Objekten innerhalb der Struktur auf der Nanoskala sehen kann. Aber als wir zum ersten Mal über diese Forschung sprachen, war das 'Hineinsehen' in diese winzigen Strukturen bereits an der Grenze dessen, was die Beamline leisten konnte", sagte Hanfei Yan, ebenfalls korrespondierender Autor der Studie und Beamline-Wissenschaftler am HXN.

Hürden überwinden

Um diese Herausforderung zu meistern, diskutierten die Forscher die verschiedenen Hürden, die sie überwinden mussten. Am CFN und an der Columbia University musste das Team herausfinden, wie sie die Strukturen mit der gewünschten Organisation aufbauen und in eine anorganische Nachbildung umwandeln konnten, die starken Röntgenstrahlen standhält, während die Forscher an der NSLS-II die Beamline durch Verbesserung der Auflösung, der Datenerfassung und vieler anderer technischer Details abstimmen mussten.

"Ich denke, unsere Fortschritte lassen sich am besten mit dem Begriff Leistung beschreiben. Als wir das erste Mal versuchten, Daten am HXN aufzunehmen, brauchten wir drei Tage und bekamen nur einen Teil eines Datensatzes. Beim zweiten Mal dauerte es zwei Tage, und wir erhielten den größten Teil eines ganzen Datensatzes, aber unsere Probe wurde dabei zerstört. Beim dritten Mal dauerte es etwas mehr als 24 Stunden, und wir erhielten einen vollständigen Datensatz. Jeder dieser Schritte lag etwa sechs Monate auseinander", so Michelson.

Yan fügte hinzu: "Jetzt können wir es an einem einzigen Tag erledigen. Die Technik ist so ausgereift, dass wir sie auch anderen Nutzern anbieten, die unsere Beamline für die Untersuchung ihrer Proben nutzen möchten. Proben in diesem Maßstab zu untersuchen, ist für Bereiche wie die Mikroelektronik und die Batterieforschung interessant."

Nutzung des Brookhavener Strahlrohrs

Das Team nutzte die Möglichkeiten der Beamline in zweierlei Hinsicht. Sie maßen nicht nur den Phasenkontrast der Röntgenstrahlen, die die Proben durchliefen, sondern sammelten auch die Röntgenfluoreszenz - das emittierte Licht - der Proben. Durch die Messung des Phasenkontrasts konnten die Forscher den Vorder- und Hintergrund ihrer Probe besser unterscheiden.

"Die Messung der Daten war nur die halbe Miete; jetzt mussten wir die Daten in aussagekräftige Informationen über die Ordnung und Unvollkommenheit von selbstorganisierten Systemen übersetzen. Wir wollten verstehen, welche Art von Defekten in diesen Systemen auftreten können und was ihr Ursprung ist. Bis zu diesem Zeitpunkt waren diese Informationen nur durch Berechnungen verfügbar. Jetzt können wir das experimentell sehen, was sehr aufregend ist und uns buchstäblich die Augen für die künftige Entwicklung komplexer Nanomaterialien öffnet", so Gang.

Neue Software-Tools für die Datenverwaltung

Gemeinsam entwickelten die Forscher neue Softwaretools, um die große Menge an Daten in verarbeitbare und verständliche Stücke zu zerlegen. Eine große Herausforderung bestand darin, die erreichte Auflösung zu validieren. Der iterative Prozess, der schließlich zu der bahnbrechenden neuen Auflösung führte, erstreckte sich über mehrere Monate, bevor das Team die Auflösung sowohl durch Standardanalysen als auch durch maschinelle Lernverfahren verifiziert hatte.

"Ich habe meine gesamte Doktorarbeit gebraucht, um hierher zu gelangen, aber ich persönlich bin sehr froh, dass ich Teil dieser Zusammenarbeit war. Ich konnte an jedem Schritt des Weges beteiligt sein, von der Herstellung der Proben bis zum Betrieb der Beamline. All die neuen Fähigkeiten, die ich auf dieser Reise gelernt habe, werden für alles, was vor mir liegt, nützlich sein", so Michelson.

Die nächsten Schritte

Auch wenn das Team diesen beeindruckenden Meilenstein erreicht hat, ist es noch lange nicht am Ende. Sie haben bereits die nächsten Schritte ins Auge gefasst, um die Grenzen des Möglichen weiter zu verschieben.

"Jetzt, da wir den Prozess der Datenanalyse durchlaufen haben, planen wir, diesen Teil für künftige Projekte einfacher und schneller zu gestalten, vor allem, wenn wir durch weitere Verbesserungen an der Strahlanlage noch schneller Daten sammeln können. Die Analyse ist derzeit der Engpass bei der hochauflösenden Tomographie am HXN", so Yan.

Gang fügte hinzu: "Wir wollen nicht nur die Leistung der Beamline weiter steigern, sondern diese neue Technik auch nutzen, um die Zusammenhänge zwischen Defekten und Eigenschaften unserer Materialien tiefer zu ergründen. Wir planen, komplexere Nanomaterialien mit Hilfe von DNA-Selbstorganisation zu entwickeln, die mit HXN untersucht werden können. Auf diese Weise können wir sehen, wie gut die Struktur im Inneren aufgebaut ist, und dies mit dem Prozess des Zusammenbaus in Verbindung bringen. Wir entwickeln eine neue Bottom-up-Fertigungsplattform, die wir ohne diese neue Fähigkeit nicht abbilden könnten."

Durch das Verständnis dieses Zusammenhangs zwischen den Materialeigenschaften und dem Herstellungsprozess hoffen die Forscher, den Weg für eine Feinabstimmung dieser Materialien für künftige Anwendungen in konstruierten Nanomaterialien für Batterien und Katalyse, für die Lichtmanipulation und für gewünschte mechanische Reaktionen zu ebnen.

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