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Vom Tropfen zum Kristall – Röntgen­streuung zeigt Kristallbildung in 3D

Jülich, 8. Juni 2017 – 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. Derartige magnetische Nanopartikel sind von besonderem Interesse für Anwendungen in hochdichten Speichermedien und neue, noch in der Entwicklung befindliche Methoden in der Krebstherapie.

In ihren Experimenten hatten die Forscher magnetische Eisenoxid-Nanopartikel in Toluol gelöst und danach in einer selbst entwickelten Experimentierzelle an der europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble untersucht. Die Röntgenstreuexperimente 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.

SchemaAusbildung der geordneten Kristallstruktur: An der Trocknungsfront (Mitte) erhöht sich die Konzentration der Nanopartikel, bis sie sich in geordneten Kristallstrukturen absetzen.
Copyright: Copyright: Josten, E. et al., Sci. Rep. (2017), DOI: 10.1038/s41598-017-02121-4 (CC BY 4.0)

Peter Grünberg Institut, Streumethoden (PGI-4 / JCNS-2)

Originalpublikation:

Superlattice growth and rearrangement during evaporation-induced nanoparticle self-assembly
Elisabeth Josten, Erik Wetterskog, Artur Glavic, Peter Boesecke, Artem Feoktystov, Elke Brauweiler-Reuters, Ulrich Rücker, German Salazar-Alvarez, Thomas Brückel, Lennart Bergström
Scientific Reports 7, Article number: 2802 (2017), DOI:10.1038/s41598-017-02121-4

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

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