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H/D-Kontrastvariation

hdstreifen_jpgKontrastaufnahmen an einen PEP-PE Diblock-Copolymer

Die meisten Elemente des Periodensystems haben mehrere stabile Isotope mit gleichen chemischen Eigenschaften aber unterschiedlicher Neutronenzahl im Kern. Die Wechselwirkung des Kerns mit einem thermischen Neutron kann stark zwischen verschiedenen Isotopen variieren. Damit variiert auch deren Beitrag zur Streuung. Beispielsweise können Strukturdetails in einer Legierung bzw. Metallschmelze gemessen werden, wenn Daten für verschiedene Isotopenanteile verglichen werden. Von besonderer Bedeutung ist die große Differenz der Streuung zwischen normalem Wasserstoff (H) und schweren Wasserstoff (D=Deuterium), wo sogar ein Vorzeichenwechsel der Wechselwirkung beobachtet wird. Praktisch alle Bio- und Softmatter-Moleküle stammen aus dem Bereich der organischen Chemie und enthalten beträchtliche Anteile an Wasserstoff. Hier wird die Markierung von Teile großer Moleküle oder die Erzeugung von Kontrast in einer Mischung von Molekülen durch gezielten H/D-Ersatz dazu genutzt den Fokus des Streusignals auf spezifische Strukturen in der Probe zu lenken. Die interessanten Objekte können regelrecht „angefärbt“ und so sichtbar bemacht werden, ohne dass ihre Chemie und Wechselwirkung untereinander nennenswert beeinflusst wird.

In der Softmatter-Forschung stellt dieser Effekt ein wesentliches Werkzeug und entscheidenden Vorteil der Neutronen im Vergleich zu anderen Strahlungssonden dar. Es ergeben sich anders unerreichbare Einblicke in die Struktur, Topologie und Dynamik.

Man stelle sich etwa eine flexible Perlenkette (ein lineares Makromolekül, ein Polymer) aus verbundenen Elementen (Perlen), die viele verschieden Gestalten annehmen kann, in einer Schale mit vielen solcher eng verschlungenen Ketten vor. Um mehr über die Gestalten, Biegsamkeit und ggf. Bewegungen einer Kette zu erfahren, müssten man diese eine im Raum verfolgen. Unmöglich! Es sei denn man kann eine oder wenige der Ketten anfärben (z.B durch schwarze Perlen). Für eine Polymerprobe bedeutet dies: man mischt einige wenige H-Moleküle mit vielen D-Molekülen oder umgekehrt. Dann „sehen“ die Neutronen den Unterschied und die Streuung liefert die Information über Konformation und Dynamik einer (mittleren) Kette.

Bei einer räumlichen Auflösung entsprechend der Größe der Kettenbausteine (Monomere) mitteln sich Beiträge einzelner Atome über den Raumbereich. Durch H/D Variation kann dieser mittlere Kontrast kontinuierlich variiert und angeglichen werde (contrast matching). Moleküle, Polymere oder Biomoleküle können von „sichtbar“ zu „unsichtbar“ gemacht werden, wenn z.B. das (H2O/D2O) Mischungsverhältnis in einer wässrigen Lösung oder Gel geändert wird.


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