Nanoimaging: neue Methode ebnet Weg für neue Materialien

Ein internationales Forschungsteam mit PLUS-Beteiligung hat mit Hilfe der Röntgen-Nanotomographie entdeckt, wie winzige, selbstorganisierte Strukturen zusammenarbeiten. Diese Nanoimaging-Technik könnte helfen, Materialien für Licht- und Elektronikanwendungen herzustellen, die über lange Distanzen gleichmäßig und verbessert strukturiert sind.

Komplexe Strukturen in winzigen Diamantnetzwerken

Mit einer neuen Bildgebungstechnik haben die Forschenden komplexe Strukturen in winzigen Diamantnetzwerken entdeckt, die durch Selbstorganisation entstehen. Dieses Prinzip ähnelt jenen in biologischen Systemen und könnte zukunftsweisende Anwendungen in der Materialwissenschaft ermöglichen, da es energie- und ressourceneffizient ist.

Um diese Vorteile zu nutzen, müssen wir besser verstehen, wie diese Strukturen und ihre Unregelmäßigkeiten, auch Defekte genannt, entstehen. Defekte treten auf verschiedenen Skalen auf und können die Eigenschaften von Materialien erheblich beeinflussen. Kleine Defekte sind oft nur 10-100 Nanometer groß, aber größere können sich über längere Distanzen auswirken. Um diese Defekte zu studieren, braucht es Techniken, die sehr genaue Bilder dieser Strukturen liefern und die großen dabei entstehenden Datenmengen analysieren können.

Internationales Team erzielt großen Fortschritt

Ein internationales Team, darunter Forschende vom Fachbereich Chemie und Physik der Materialien der Paris Lodron Universität Salzburg (PLUS), hat diesen großen Fortschritt in der Nanotechnologie erzielt. Die Forschenden kartierten die komplexen 3D-Strukturen in winzigen Diamantnetzwerken, die synthetisch hergestellt und dann in Gold nachgebildet wurden. Sie nutzten die fortschrittliche Technik der Röntgen-Nanotomographie der Schweizer Lichtquelle (SLS), um diese Strukturen mit einer extrem hohen Genauigkeit von 11 Nanometern zu untersuchen. Dies ermöglichte ihnen, ein großes Volumen von 90 Kubikmikrometern zu analysieren und fast 70.000 einzelne Einheiten der Diamantstruktur zu erfassen.

Dank dieser Technik konnten sie nicht nur einzelne Defekte, sondern auch komplexe Muster wie "Komet" und "Dreiblatt" erkennen, die an den Grenzen dieser Strukturen auftreten. Diese Muster ähneln denen in weichen Materialien wie Flüssigkristallen, zeigen jedoch das Verhalten von harten Kristallen.

Foto: Lichtquelle Schweiz SLS | © Paul Scherrer Institut/ Markus Fischer

Neue Materialien durch "topologische Defekte"

Die Forschenden entwickelten eine neue Methode zur Analyse von Spannungen in den Strukturen, inspiriert vom Moiré-Effekt¹. Sie fanden heraus, dass so genannte "topologische Defekte" dazu beitragen, die Ordnung im gesamten Netzwerk zu stabilisieren. Das geschieht, indem sie kleinere Defekte anziehen und synchronisieren. Diese Erkenntnisse könnten helfen, neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften herzustellen.

Nanoimaging hat das Verständnis der Materialwissenschaften-Community von komplexen Strukturen, die durch Selbstorganisation entstehen, erheblich verbessert und könnte einen bahnbrechenden Weg für neue Materialien mit einzigartigen Eigenschaften ebnen. Eine Studie dazu wurde kürzlich in Nature Nanotechnology veröffentlichte.

Grafiken: Die Abbildungen zeigen: (a) eine 3D-Modellierung einer Diamantstruktur, (b) eine 3D-Darstellung der gesamten untersuchten Probe, wobei unterschiedliche Farben verschiedene kristalline Ausrichtungen anzeigen, (c) einen 2D-Schnitt, der zwei der in der Probe gefundenen komplexen Strukturen zeigt. | © D. Karpov / SLS

¹ Der Moiré-Effekt ist ein visuelles Phänomen, das auftritt, wenn zwei sich überlagernde Muster mit feinen Strukturen leicht gegeneinander verschoben oder gedreht werden. Dadurch entstehen neue, meist großflächige, als Moirè bezeichnete Muster.

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Kontakt
Univ.-Prof. Dr. Bodo Wilts
Paris Lodron Universität Salzburg | Fachbereich Chemie und Physik der Materialien
Jakob Haringer Straße 2A | 5020 Salzburg

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