02.09.2022 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Seltene Einblicke in das Wachstum von Nanopartikeln

„Das ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung hochaktiver Katalysatoren und Sensoren mit hoher Sensitivität“

Wie genau wachsen Nanopartikel in Lösungen? Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg und von DESY konnten diesen Prozess mit DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III erstmals in Echtzeit verfolgen. Im Fachblatt „Nature Communications“ berichten sie über ihre Beobachtungen mit Hilfe der Methode der Röntgenptychographie, die den mikroskopischen Blick auf die dynamischen Prozesse ermöglicht.

Hohle Nanopartikel mit Größen von mehreren hundert Nanometern haben weitreichendes Anwendungspotenzial, etwa in Lithium-Ionen-Batterien, Sensoren oder zur katalytischen Energiegewinnung. „Um die gewünschte Funktionalität und Leistungsfähigkeit zu erreichen, ist es entscheidend, dass wir die Struktur und Form der Nanopartikel während ihres Wachstums genau kontrollieren können", sagt Hauptautor Lukas Grote, Doktorand in der Gruppe von Dorota Koziej an der Universität Hamburg und im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“.

Die Wege, auf denen sich solche komplexen Materialien bilden, sind vielfältig. Den Verlauf des Wachstums zu verstehen und zu kontrollieren, ist daher noch eine große Herausforderung. Die Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung kann hier Abhilfe schaffen und wachsende Nanopartikel in chemischen Reaktoren mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 10 Nanometern abbilden. Ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter. „Die Methode der Röntgenptychographie, bei der aus der Überlagerung im Gleichtakt schwingender Röntgenlichtwellen rechnerisch ein Bild gewonnen wird, erweitert diese Vorteile noch, denn sie gibt uns die Möglichkeit, Bilder quantitativ zu interpretieren“, erklärt Grote. Damit ist es möglich, Rückschlüsse auf die dreidimensionale (3D) Form der Nanopartikel zu ziehen.

Für ihre aktuelle Studie nutzte das Team die Experimentierstation P06 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III gemeinsam mit der DESY-Forschungsgruppe von Christian Schroer. „Ziel war es, das Wachstum von Kupferoxid-Nanowürfeln und ihre anschließende Umwandlung in hohle Kupferstrukturen durch Röntgenptychographie live zu verfolgen“, erläutert Schroer. Die Beobachtung zeigt, dass Nanopartikel, die auf den Wänden des chemischen Reaktors wuchsen, flacher blieben, während sich in der Mitte der Lösung im Reaktor gleichmäßige Würfel bildeten. Am Ende des Wachstumsprozesses werden die Nanowürfel in einer Festkörperreaktion zu metallischem Kupfer reduziert. Dabei bildeten sich in der Mitte der Partikel Hohlräume, die sich zur Oberfläche hin ausdehnten und zu hohlen Nanowürfeln führten.

„Solche seltenen visuellen Einblicke in strukturelle Veränderungen in Lösung sind wichtig, um besser zu verstehen, wie sich verschiedene Formen in Nanomaterialien bilden“, sagt Koziej. „Das ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung hochaktiver Katalysatoren und Sensoren mit hoher Sensitivität.“ Die Methode kann auf eine Vielzahl von Materialien und Reaktionsbedingungen angewendet werden und ergänzt damit andere Verfahren wie etwa die Flüssigzellen-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

An der Arbeit waren Forscherinnen und Forscher der Universität Hamburg, des italienischen Nationalen Forschungsrats, der Universität Cambridge in Großbritannien, der Sao Paulo State University in Brasilien, des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz und von DESY beteiligt.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
Mehr über Uni Hamburg
  • News

    Neue Open-Access-Datenbank für plastikabbauende Enzyme

    Kunststoffe auf Erdölbasis sind langlebig und reichern sich in der Umwelt an. Aktuell gibt es wenige verlässliche Daten darüber, welche Mikroorganismen und Enzyme zum Abbau von Kunststoffen beitragen können. Forschende der Universität Hamburg und der Universität Stuttgart haben nun die Open ... mehr

    Nanopartikel-basierte Aerogele aus dem 3D-Drucker

    Ein Forschungsteam von der Universität Hamburg und DESY hat ein neues Verfahren entwickelt, mit welchem kolloidale Nanomaterialien in Form eines sogenannten Aerogels in 3D geduckt werden können. Diese Materialklasse zeichnet sich durch eine außergewöhnlich hohe Porosität aus und eröffnet vi ... mehr

    Röntgenanalyse zeigt Weg zu flexiblen und transparenten Magneten

    Eine neue Klasse organischer magnetischer Materialien verspricht innovative Anwendungen und könnte eine nachhaltige Alternative zu Metallmagneten mit Seltenen Erden ermöglichen. Mit einer weltweit einzigartigen Messeinrichtung an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III hat ein internationales Te ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Markus Fischer

    Jg. 1965, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München und promovierte 1997 im Bereich Molekularbiologie/Proteinchemie. 2003 habilitierte er sich für die Fächer Lebensmittelchemie und Biochemie. Seit 2006 ist er Direktor des Instituts für Lebensmittelchemie der Univer ... mehr

    Luise Herrmann

    Jg. 1983, studierte bis 2010 Lebensmittelchemie an der Universität ­Hamburg. In ihrer Diplomarbeit beschäftigte sie sich mit der Differenzierung von Weizen und Dinkel über deren Proteinmuster. Nach dem Studium absolvierte sie ihr praktisches Jahr teils in Nantes, Frankreich und in Hamburg. ... mehr

    Dr. Anke Heisig

    Anke Heisig, geb. 1961, studierte Biologie mit dem Schwerpunkt Molekularbiologie an der FU Berlin und promovierte am Max-Planck-Institut für Molekulare Genetik in Berlin-Dahlem. Seit 1998 leitet sie einen DNA-Sequenzierservice zunächst an der Universität Bonn. Nach ihrer Tätigkeit bei der F ... mehr