14.07.2020
Größenverteilung von Nanopartikeln in einem Mesokristall entschlüsselt
Ein Mesokristall ist so etwas wie ein Kristall aus Kristallen: eine dreidimensionale periodische Anordnung von Nanopartikeln oder auch Nanokristallen, die einen festen Kristall bilden - ähnlich wie sich ein Kristall aus einzelnen Atomen zusammensetzt. Die Anordnung verschiedener Nanopartikel ermöglicht es, verschiedene Funktionalitäten in einem Mesokristall zu kombinieren.
Auf diese Weise lassen sich einzigartige multifunktionale Systeme herstellen, mit neuen Eigenschaften, wie sie etwa in Solarzellen, Computerchips und Datenspeichern oder beim Bau von Sensoren Anwendung finden können.
Während die einzelnen Nanopartikel eine Größe im Nanometer-Bereich haben und als Bausteine für den Mesokristall dienen, liegen die Dimensionen eines Mesokristalls im Mikrometer-Bereich. Die Analogie zwischen den Kristallen aus Nanopartikeln und Atomen ist allerdings nicht perfekt. Denn anders als Atome zeigen die Nanopartikel, aus denen Mesokristalle bestehen, deutliche Variationen in Größe und Form.
Einem internationalen Forscherteam um Wissenschaftler des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) sowie des Peter Grünberg Instituts (PGI) und des Ernst Ruska-Centre (ER-C) des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, erstmals die genaue Größenverteilung der Nanokristalle in einem einzelnen Mesokristall zu entschlüsseln - bis jetzt war dies nur für größere Ansammlungen von Mesokristallen möglich, wobei Informationen zur Verteilung der Partikel nur statistisch für eine Vielzahl von Mesokristallen erhoben werden konnte.
In der Analyse der Einkristalle mit einem fokussierten Röntgenstrahl am Synchrotron DESY zeigte sich, dass die Größen der Nanopartikel in einem einzelnen Mesokristall um den Faktor 4 weniger variieren als bislang gedacht. In den statistischen Auswertungen früherer Experimente war dies verborgen geblieben. Die Beobachtung lässt Rückschlüsse auf eine starke Größenselektivität in der Selbstorganisation der Nanopartikel zu: Vermutlich findet bei der Ausbildung von Mesokristallen eine Fraktionalisierung statt, bei der Nanopartikel ähnlicher Größe zueinander finden.
Das neu gewonnene Verständnis können die Forscher jetzt nutzen, um den Selbstorganisationprozess spezifisch zu beeinflussen, etwa um neue Metamaterialien wachsen zu lassen. Denn die geringen Größenunterschiede der Nanopartikel innerhalb einzelner Mesokristalle haben wichtige Auswirkungen auf ihre physikalischen Eigenschaften.
Quelle: Forschungszentrum Jülich