Die Messungen zeigen, wie sich die lichtempfindlichen Körnchen in der fotografischen Emulsion verformen, drehen und schließlich zerfallen. Die ausgefeilte Untersuchungstechnik ermöglicht die Millisekunden-genaue Untersuchung eines breiten Spektrums chemischer und physikalischer Prozesse in Materialien. Das Forscherteam unter Leitung von Prof. Jianwei (John) Miao von der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA) und Prof. Tim Salditt von der Universität Göttingen stellt seine Arbeit im Fachblatt Nature Materials vor [vgl. Literatur-Hinweis unten].
Fotoinduzierte chemische Reaktionen spielen in zahlreichen grundlegenden Prozessen und Technologien eine Rolle, von der Energieumwandlung in der Natur bis zur Mikrofertigung mit Hilfe der Fotolithografie. Ein Beispiel, das sich sogar mit bloßem Auge verfolgen lässt, ist die Belichtung fotografischer Filme. Die Forscher untersuchten die Vorgänge während der Belichtung auf der Ebene der sogenannten Nanokristallite, der lichtempfindlichen Körnchen in der Emulsion. Dazu nutzten sie eine Sorte Fotopapier (Kodak Linagraph-Papier Typ 2167, auch Yellow Burn Paper genannt), das bei Röntgenexperimenten oft zur Strahljustierung verwendet wird. "Das Fotopapier, das wir uns angeschaut haben, ist nicht speziell für Röntgenstrahlung ausgelegt", erläutert DESY-Forscher Dr. Michael Sprung, Leiter der Messstation P10, an der die Experimente stattfanden.
Die Röntgenstrahlung diente in dem Versuch nicht nur zur Belichtung des Fotopapiers, sondern auch zur Analyse der inneren Zusammensetzung. Das Papier besitzt einen lichtempfindlichen Film von einigen Mikrometern (tausendstel Millimetern) Dicke, der aus winzigen Silberbromid-Körnchen in einer Gelatineschicht besteht. Die Körnchen haben eine mittlere Dicke von 700 Nanometern (millionstel Millimetern). Wenn Röntgenstrahlung auf so ein kristallines Körnchen trifft, wird sie in charakteristischer Weise gebeugt. Aus dem resultierenden Beugungsmuster auf dem Detektor lassen sich Eigenschaften wie die Gitterweite des Kristalls, die chemische Zusammensetzung und die Orientierung ablesen.
"Da der Röntgenstrahl mit einer Ausdehnung von 270 mal 370 Nanometern kleiner war als die mittlere Korngröße, konnten wir individuelle Silberbromid-Körnchen in dem Burn-Papier beobachten", erläutert Salditt, der als Partner von DESY die GINIX-Anlage (Göttingen Instrument for Nano-Imaging with X-Rays) an der Messstation P10 mit aufbaut und betreibt.
Die Belichtung mit Röntgenstrahlung startet die sogenannte Photolyse, die Silber aus dem Silberbromid löst. Ein einzelnes Röntgen-Photon kann dabei viele Silberatome lösen, die zu Agglomeraten an der Oberfläche und im Inneren der Silberbromidkörnchen zusammenwachsen. Die Wissenschaftler konnten nicht nur das Wachstum reiner Silber-Nanokörnchen beobachten, sondern auch wie die Silberbromid-Körnchen unter Druck gerieten, sich zu drehen begannen und in kleinere Kristallite zerbrachen. Der außergewöhnlich helle Strahl von PETRA III zusammen mit einem Hochgeschwindigkeits-Röntgendetektor erlaubte es, diese Prozesse mit einer Zeitauflösung von bis zu fünf Millisekunden (tausendstel Sekunden) zu filmen. "Erstmals haben wir die Korndrehung und Gitterdeformation während einer fotoinduzierten chemischen Reaktion beobachtet", betont Miao. "Wir waren überrascht, wie schnell einige dieser einzelnen Körner rotieren", ergänzt Sprung. "Manche drehen sich fast einmal in zwei Sekunden."
Angesichts der rasanten Entwicklung moderner Synchrotron-Strahlungsquellen in den USA, Europa und Asien erwarten die Autoren, "dass die In-Situ-Nanodiffraktion, die eine Messung atomgenauer Beugungsbilder mit Millisekunden-Zeitauflösung ermöglicht, breite Anwendung zur Untersuchung von Phasenübergängen, chemischen Reaktionen, Kristallwachstum, Korngrenzendynamik, Gitterausdehnungen und -kontraktionen in der Materialforschung, den Nanowissenschaften und der Chemie findet."
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.
Zusatzinformationen:
Zhifeng Huang, Matthias Bartels, Rui Xu, Markus Osterhoff, Sebastian Kalbfleisch, Michael Sprung, Akihiro Suzuki, Yukio Takahashi, Thomas N. Blanton, Tim Salditt und Jianwei Miao:
Grain rotation and lattice deformation during photoinduced chemical reactions revealed by in situ X-ray nanodiffraction.
In: Nature Materials; online erschienen am 08. Juni 2015, DOI 10.1038/nmat4311
Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY
Aktualisiert am 09.06.2015.
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