Japanische Forscher haben ein Elektronenmikroskop gebaut, das möglicherweise das Potenzial besitzt, die Welt der Wissenschaft zu verändern: So sind mit dem neuen Gerät Reaktionen in winzigen Materialien zu beobachten, die im Bruchteil einer Sekunde vorbei sind.
Forscher untersuchten die Photoanregung von Nanopartikeln
Ein Haar ist ungefähr 100.000-mal dicker als ein Nanopartikel. Entsprechend schwierig ist es, Nanomaterialien zu untersuchen. Doch genau dieser Prozess ist wichtig, um bestimmte Materialien besser zu verstehen und sie richtig einsetzen zu können.
Die Forscher der japanischen Nagoya Universität und Hitachi Hightech Ltd. konzentrierten sich auf die „Photoanregung“, ein komplizierter Zustand, in dem ein Teilchen für einen kurzen Augenblick sehr viel Energie besitzt. Dieser Zustand dauert nicht länger als eine Picosekunde, also ein Billionstel einer Sekunde. Ein einfacher Taschenmikroskop-Test reicht da freilich nicht aus. Um den Prozess beobachten zu können, bauten die Wissenschaftler also ein komplexes ultraschnelles Elektronenmikroskop, in dem sie zwei Technologien kombinierten.
Sie nutzten eine Verbindungshalbleiter-Fotokathode, die eine speziell-behandelte Oberfläche hatte, und schlossen sie mit einem normalen Elektronenmikroskop zusammen. Für ihre Untersuchungen verwendeten sie zudem chemisch-synthetisierte Nanodreiecke aus Gold. Diese Nanopartikel aus Gold konnten so mithilfe einer speziellen Wellenlänge von Licht in den Zustand der Photoanregung gebracht werden. Während das Nanomaterial in diesem Zustand ist, bewegen sich die Elektronen im Partikel schnell hin und her. Gold hat eine spezielle Art und Weise, wie es auf diesen Zustand reagiert: Das Licht, das auf das Partikel fällt, wird stärker und wird gewissermaßen zu einer hell erleuchteten Antenne, die das Signal verstärkt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Applied Physics Letters.
Ein Blick in das Partikel
Das neue Elektronenmikroskop ermöglichte es den Forschern, sich diesen Prozess mit eigenen Augen anzuschauen. Was während des Vorgangs an der Oberfläche des Partikels passiert, ist bereits gut untersucht. Doch die japanischen Wissenschaftler waren die Ersten, die auch einen Blick in das Partikel selbst werfen konnten. Sie konnten somit bestimmen, welche Kräfte und Prozesse im Gold ablaufen, während es sich im Zustand der Photoanregung befindet.
Das könnte bedeutende Auswirkungen haben: Aufgrund der Art, wie Gold reagiert, scheint es zum idealen Material für Energieumwandlung zu werden. „Wenn wir solche Phänomene wie die Photoanregung besser verstehen, können wir die Effizienz [von Nanomaterialien] erhöhen“, so Professor und Erstautor der Studie Makoto Kuwahara in einer Pressemitteilung.
Nun sollen mithilfe des neuen Mikroskops noch viele andere Licht-Materie-Wechselwirkungen untersucht werden, um neues Potenzial in unterschiedlichen Materialien zu finden.
Bild von Narupon Promvichai auf Pixabay