Nanoteilchen haben chemisch betrachtet andere Eigenschaften als ihre «grossen Schwestern und Brüder»: Sie haben im Verhältnis zu ihrer winzigen Masse eine sehr grosse Oberfläche und gleichzeitig eine geringe Anzahl von Atomen. Dadurch kann es etwa zu Quanteneffekten kommen, die zu veränderten Materialeigenschaften führen. Beispielsweise lässt sich aus Nanomaterialien hergestellte Keramik plötzlich verbiegen, oder ein Goldnugget ist goldfarben während ein Nanosplitter davon rötlich ist. Bis anhin sind die Auswirkungen dieser veränderten Eigenschaften auf lebende Organismen nur wenig erforscht. Erst kürzlich sorgte eine Studie für Aufsehen, laut der Nanoteilchen wie Titanoxid in Zahnpasta oder Sonnencremes in der menschlichen Lunge ähnlich wirken sollen wie Asbest.

Neue Methode entwickelt

Die exakte 3D-Struktur, die atomare Anordnung und speziell auch die Oberflächenbeschaffenheit von Nanoteilchen bestimmen deren chemische und physikalische Eigenschaften. In einer neuen Studie, die von der ETH-Wissenschaftlerin Marta D. Rossell von der Gruppe von Markus Niederberger, Professor am Institut für Multifunctional Materials und dem Empa-Forscher Rolf Erni, initiiert wurde, gelang es nun erstmals die dreidimensionale Struktur von einzelnen Nanoteilchen auf atomarer Basis zu bestimmen. Das neue Verfahren könnte in Zukunft dazu beitragen, die Beschaffenheit von Nanoteilchen, inklusive deren Reaktivität und Toxizität, besser zu verstehen.

Schonverfahren zur Bildgebung

Für ihre elektronenmikroskopische Studie, die heute in der Fachzeitschrift «Nature» publiziert wurde, präparierten Rossell und Erni Silber-Nanoteilchen in einer Aluminium-Matrix. Die Matrix vereinfacht es, die Nanopartikel unter dem Elektronenstrahl in verschiedene kristallographische Orientierungen zu kippen und schützt gleichzeitig die Partikel vor Schäden durch die Elektronenstrahlen. Grundvoraussetzung für die Studie war ein spezielles Elektronenmikroskop, das eine maximale Auflösung von weniger als 50 Pikometern erreicht. Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Atoms beträgt etwa ein Ångström, das sind 100 Pikometer. Zur zusätzlichen Schonung der Probe wurde das Elektronenmikroskop so eingestellt, dass es auch bei niedriger Beschleunigungsspannung, bei 80 Kilovolt, Bilder in atomarer Auflösung anfertigte. Normalerweise arbeiten derartige Elektronenmikroskope – von denen es weltweit nur ein paar wenige gibt – bei 200 oder 300 Kilovolt. Die beiden Wissenschaftler nutzten für ihre Experimente ein Mikroskop in Kalifornien, am Lawrence Berkeley National Laboratory. Vervollständigt wurden die experimentellen Daten letztlich durch zusätzliche elektronenmikroskopische Messungen, die an der Empa durchgeführt wurden.

Geschärfte Bilder

Anhand der gefertigten mikroskopischen Aufnahmen erstellte Sandra Van Aert von der Uni Antwerpen Modelle, welche die Aufnahmen «schärften» und deren Quantifizierung erlaubten: Die durch das Modell verfeinerten Aufnahmen ermöglichten, die einzelnen Silberatome, die das Kristallgitter des Nanoteilchens aufspannten, entlang unterschiedlichen kristallographischen Orientierungen zu zählen.

Zur dreidimensionalen Rekonstruktion der Atomanordnung im Nanoteilchen zogen Rossell und Erni schliesslich den Tomographie-Spezialisten Joost Batenburg aus Amsterdam hinzu. Dieser nutzte die gewonnen Daten, um anhand spezieller mathematischer Algorithmen die Anordnung der Atome im Nanopartikel tomographisch zu rekonstruieren. Nur zwei Aufnahmen reichten aus, um den Nanopartikel, der aus rund 784 Atomen besteht, nachzubilden. Zwei weitere experimentelle Projektionen von Rossell und Erni verifizierten letztendlich die Rekonstruktion. «Bis anhin konnten nur die groben Umrisse von Nanoteilchen anhand vieler Aufnahmen aus unterschiedlichen Perspektiven dargestellt werden», sagt Marta Rossell. Atomstrukturen hingegen konnten ohne experimentelle Grundlagen nur am Computer simuliert werden.

«Anwendungen des Verfahrens, etwa zur Charakterisierung von dotierten Nanoteilchen, sind nun geplant», sagt Rolf Erni. So könnte mit der Methode in Zukunft etwa festgestellt werden, welche Atom-Konfigurationen an der Oberfläche der Nanopartikel aktiv werden, wenn diese beispielsweise toxisch oder katalytisch wirken. Rossell betont, dass sich die Studie im Prinzip auf alle Nanopartikel anwenden lässt. Voraussetzung seien jedoch experimentelle Daten, wie sie in der Studie gewonnen wurden.

Literaturhinweis:

Van Aert S, Batenburg KJ, Rossell MD, Erni R & Van Tendeloo G: Three-dimensional atomic imaging of crystalline nanoparticles, Nature (2011) 470, 374-377, doi:10.1038/nature09741