Mikroskop erfasst 3D-Struktur von sich bewegenden Nanopartikeln

Computeralgorithmus ordnet Filmaufnahmen von schwimmenden Platinkristallen – Rekonstruktion von räumlichen Ansichten mit fast atomarer Auflösung möglich
3D-Aufnahme eines Platin-Nanokristalls, das sich während der Aufnahme frei in einer Flüssigkeit bewegen konnte.
3D-Aufnahme eines Platin-Nanokristalls, das sich während der Aufnahme frei in einer Flüssigkeit bewegen konnte.
© Jungwon Park et al., University of California, Berkeley
Berkeley (USA) - Rasterkraft- und Elektronenmikroskope können bisher dreidimensionale Bilder von Nanopartikeln mit subatomarer Auflösung liefern. Doch dabei dürfen sich die Objekte keinesfalls bewegen, um Einzelbilder von allen Seiten aufnehmen zu können. Einen Schritt weiter ging nun eine US-amerikanische Forschergruppe, die sich frei bewegende Nanopartikel in einer flüssigen Lösung untersuchten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten sie trotz der Bewegung die dreidimensionale Struktur dieser Nanopartikel mit nahezu atomar Auflösung sichtbar machen.

Paul Alivisatos und seine Kollegen von der University of California in Berkeley nutzten für ihre hochaufgelösten Aufnahmen ein spezielles Transmissionselektronenmikroskop, kurz TEM genannt. Damit betrachteten sie nur zwei Millionstel Millimeter (zwei Nanometer) kleine Platinkristalle. Diese schwammen durch eine Flüssigkeit in einem Käfig aus hauchdünnen Kohlenstoffschichten aus Graphen. So eingesperrt, beeinträchtigte die Flüssigkeit nicht die Vakuumbedingungen, die für die TEM-Aufnahmen nötig waren.

Der Elektronenstrahl des Mikroskops traf nun auf die sich frei bewegenden Platinkristalle. Wie mit einer Filmkamera konnten dabei 50 Aufnahmen pro Sekunde mit einer Auflösung von 1024 auf 1024 Bildpunkten aufgezeichnet werden. Diese Menge an Bildern legte die Grundlage für die dreidimensionalen Aufnahmen einzelner Platinkristalle.

Doch für diesen Schritt war eine aufwendige Auswahl und Bearbeitung der einzelnen, zweidimensionalen Bilddaten nötig. Alivisatos und Kollegen nutzten dazu einen leistungsfähigen Computeralgorithmus, mit dem sich die jeweilige Ausrichtung der sich bewegenden Nanoteilchen bestimmen ließ. Dank dieser Computer gestützten Auswertung gelang es, Bilder gleicher Teilchen einander zuzuordnen. Als Ergebnis gewannen die Forscher 3D-Ansichten von zwei verschiedenen Platinkristallen von etwas unterschiedlicher Größe. Die Auflösung dieser Bilder erreichte dabei etwa ein fünftel Nanometer und war damit genau genug, um grobe atomare Strukturen sichtbar zu machen.

Für Platinkristalle selbst ist diese Methode in erster Linie allerdings nicht gedacht. Sie wurden wegen ihres hohen Kontrasts in TEM-Aufnahmen gewählt. Doch bietet das Verfahren nun die Möglichkeit, ungeordnete und in flüssiger Lösung gezüchtete Nanoteilchen genauer betrachten zu können. Dies könnte beispielsweise für die Analyse der Aktivität von Katalysator-Teilchen oder komplexer Prozesse von biologischen Molekülen von Vorteil sein. „Mit diesem Werkzeug könnte nun das Wachstum, die Selbstorganisation und die Reaktivität von Nanoteilchen in Flüssigkeiten untersucht werden“, urteilt Christian Colliex von der Université Paris Sud XI in einem begleitenden Kommentar über diese Studie.

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