3D-Schnappschüsse von Nanoteilchen

Seit mehr als hundert Jahren wird R?ntgenbeugung eingesetzt, um die Struktur von Kristallen oder Proteinen zu verstehen ¨C die bekannte Doppelhelix-Struktur der Erbinformations-DNA beispielsweise wurde 1952 so entdeckt. Bei dieser Technik beschiesst man das zu untersuchende Objekt mit kurzwelligen R?ntgenstrahlen. Die gebeugten Strahlen ¨¹berlagern sich dann und erzeugen so charakteristische Beugungsmuster, aus denen man Informationen ¨¹ber die Form des Objekts gewinnen kann.

Seit einigen Jahren k?nnen auf diese Weise auch einzelne Nanoteilchen mit sehr kurzen und h?chst intensiven R?ntgenpulsen untersucht werden. Dabei erh?lt man in der Regel allerdings nur ein zweidimensionales Bild des Teilchens. Forschende unter der Leitung von ETH-Professorin Daniela Rupp haben nun gemeinsam mit Kolleg:innen der Universit?ten Rostock und Freiburg, der TU Berlin und dem DESY in Hamburg einen Weg gefunden, aus einem einzelnen Beugungsmuster auch die dreidimensionale Struktur eines Nanoteilchens zu errechnen, so dass man es sich von allen Seiten ?ansehen? kann. In Zukunft sollte es sogar m?glich sein, auf diese Weise 3D-Filme der Dynamik von Nanostrukturen zu machen. Die Ergebnisse des Forscherteams wurden k¨¹rzlich im Wissenschaftsjournal Science Advances ver?ffentlicht.

Seit 2019 ist Daniela Rupp Assistenzprofessorin an der ETH Z¨¹rich, wo sie die Arbeitsgruppe ?Nanostrukturen und ultraschnelle R?ntgenwissenschaften? leitet. Mit ihrem Team versucht sie, die Wechselwirkung von sehr intensiven R?ntgenpulsen und Materie besser zu verstehen. Als Modellsystem verwendet sie dabei Nanopartikel, die sie unter anderem am Paul Scherrer Institut untersucht. ?F¨¹r die Zukunft tun sich hervorragende M?glichkeiten am neuen Maloja-Instrument auf, an dem wir externe SeiteAnfang letztes Jahr als erste Nutzergruppe messencall_made durften. Im Moment nimmt das Team vor Ort den Attosekunden-Modus in Betrieb, mit dem wir sogar die Dynamiken von Elektronen beobachten k?nnen?, sagt Rupp.

Ein tieferer Blick auf dynamischer Prozesse

Die jetzt ver?ffentlichte Arbeit ist ein wichtiger Schritt in diese Zukunft, erkl?rt Postdoktorand Alessandro Colombo: ?Damit ?ffnen wir ein Fenster zu Untersuchungen dynamischer Prozesse von kleinsten Partikeln im Femtosekunden-Bereich.? Das Problem der R?ntgenbeugung mit sehr intensiven Pulsen ist, dass die zu untersuchenden Objekte nach dem Beschuss sofort verdampfen ¨C ?abbilden und zerst?ren? im Jargon der Forschenden. Da so nur ein einziger Schnappschuss des Nanoteilchens gemacht werden kann, m?chte man aus diesem nat¨¹rlich m?glichst viele Information herausholen. Will man mehr als nur ein 2D-Bild aus dem Beugungsmuster errechnen, musste man den Computeralgorithmen bisher stark limitierende Annahmen zur Form des Nanoteilchens vorgeben, etwa zu seiner Symmetrie. Dadurch bleiben jedoch Feinheiten des Teilchens, die von diesen Annahmen abweichen, verborgen. Zudem musste man bei diesen Algorithmen viele Einstellungen von Hand eingeben und anpassen.

Verbesserter Algorithmus

?Hier setzt unsere neue Methode an?, sagt Rupp: ?Mit unserem neuen Algorithmus, der eine sehr effiziente Simulationsmethode und eine geschickte Optimierungsstrategie nutzt, k?nnen wir automatisch 3D-Bilder des Nanoteilchens erstellen, ohne dass wir spezielle Vorgaben machen m¨¹ssen. Auf diese Weise k?nnen wir sogar kleine Unregelm?ssigkeiten sehen, die zum Beispiel beim Wachstumsprozess des Partikels entstanden sind.? Um die 3D-Aufl?sung zu erreichen, verwenden die ETH-Forschenden nicht nur wie bisher ¨¹blich denjenigen Teil des Beugungsmusters, der in einem kleinen Winkel von wenigen Grad vom Objekt gebeugt wird, sondern auch den ?Weitwinkel?-Anteil von 30 Grad und mehr. Dadurch erh?ht sich die Menge der aus den Daten zu errechnenden Informationen zwar enorm, doch der verbesserte Algorithmus wird auch damit fertig.

Auf diese Weise kann das Team um Rupp nun aus den Beugungsmustern einzelner 70 Nanometer grosser Silber-Nanoteilchen, die mit rund 100 Femtosekunden dauernden R¨­ntgenpulsen beschossen werden, 3D-Bilder errechnen, welche die Teilchen von verschiedenen Seiten zeigen.

Schnappsch¨¹sse im freien Flug

?Bisher fehlte uns diese dritte Dimension?, sagt Rupp, ?doch nun k?nnen wir viele Prozesse erstmalig oder mit viel h?herer Genauigkeit als zuvor untersuchen, zum Beispiel wie Nanopartikel in wenigen Pikosekunden schmelzen oder wie sich Nanor?hrchen zu gr?sseren Gebilden zusammenschliessen. ? Entscheidend ist dabei, dass die Schnappsch¨¹sse der Teilchen im freien Flug im Vakuum gemacht werden k?nnen, also ohne dass man die Nanopartikel wie bei der Elektronenmikroskopie auf einer Oberfl?che fixieren muss. Viele Teilchenarten kann man zudem gar nicht auf eine Oberfl?che ablegen, weil sie zu fragil und kurzlebig sind. Aber auch die Proben, die man mit einem Elektronenmikroskop untersuchen kann, werden durch die Wechselwirkung mit der Oberfl?che erheblich beeinflusst. Im freien Flug dagegen k?nnen Schmelz- oder Aggregationsvorg?nge g?nzlich ohne St?rungen studiert werden.