Vom Tropfen zum Nanokristall

Röntgenstreuung zeigt Kristallbildung in 3D

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Röntgenstreu-Messung der einsetzenden Kristallisation von gelösten Nanopartikel am Rand des Tropfens.
Röntgenstreu-Messung der einsetzenden Kristallisation von gelösten Nanopartikel am Rand des Tropfens. (Bild: Dr. Elisabeth Josten / HZDR)

Mittels "drop casting" oder Tropfenguss lassen sich bestechend einfach dünne Schichten mit neuartigen Eigenschaften herstellen. Ein internationales Forscherteam um die HZDR-Physikerin Dr. Elisabeth Josten hat in Röntgenstreu-Experimenten beobachtet, wie sich dabei Eisenoxid-Nanopartikel zu einem geordneten Kristall zusammensetzen.

Man nehme eine mit Nanopartikeln versetzte Lösung, gebe einen Tropfen auf ein geeignetes Substrat, zum Beispiel aus Silizium, und warte, bis sich das Lösungsmittel verflüchtigt hat. Zurück bleiben feste, hochgeordnete Kristalle, ähnlich einer Salzkruste. Auf diese Weise lassen sich bestechend einfach dünne Schichten mit neuartigen Eigenschaften herstellen, wie sie etwa in Solarzellen, Computerchips oder beim Bau von Sensoren und Detektoren Anwendung finden.

Das internationale Forscherteam hat das auch als "drop casting" oder Tropfenguss bezeichnete Verfahren in Röntgenstreu-Experimenten untersucht und beobachtet, wie sich die Eisenoxid-Nanopartikel zu einem geordneten Kristall zusammensetzen. Dafür hatten die Forscher magnetische Eisenoxid-Nanopartikel in Toluol gelöst und danach in einer selbst entwickelten Experimentierzelle an der europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle ESRF in Grenoble untersucht. Die Röntgenstreu-Experimente zeigen, wie sich die Kristallschichten zunächst am Rand des Tropfens ausbilden, konkret: an der Trocknungsfront, die mit dem sich verkleinernden Tropfen langsam nach innen wandert. Ganz ähnlich entstehen auch Kaffeeringe.

Der weitere Trockenvorgang führt zur Kontraktion der auch als Übergitter bezeichneten Kristallstruktur. Das neu gewonnene Verständnis können die Forscher jetzt nutzen, um den Prozess spezifisch zu beeinflussen, etwa um neue Metamaterialien wachsen zu lassen.

Derartige magnetische Nanopartikel sind von besonderem Interesse für Anwendungen in hochdichten Speichermedien und neue, noch in der Entwicklung befindliche Methoden in der Krebstherapie. Am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung bearbeitet Josten seit Anfang 2015 das Themengebiet Magnetische Nanomaterialien.

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