Aerosole verändern in der Luft ihre Struktur

Menlo Park (USA) – Aerosole wie Ruß- oder Staubpartikel spielen zum Beispiel eine wichtige Rolle bei der Erderwärmung. Um ihren Einfluss auf Klima und Umwelt besser beschreiben zu können, hat ein internationales Forscherteam schwebende Rußpartikel mit einem Röntgenlaser vermessen. Dabei zeigte sich, dass deren Strukturen noch komplexer sind als vermutet, wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten. In zukünftigen Experimenten wollen sie feststellen, wie sich Größe, Form und chemische Zusammensetzung der Teilchen verändern, wenn sie unterschiedlichen Umgebungen ausgesetzt sind.

Bild mit einer Art wellenförmigen Struktur, im Zentrum ist es pink und blau, außen dunkelgrün.
Diffraktionsbild eines Rußpartikels

Das Team um Duane Loh vom Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien nutzte für seine Studie den derzeit stärksten Freie-Elektronen-Laser LCLS. Mit elektrischen Funken schlugen die Forscher Rußpartikel aus einem Stück Graphit und leiteten sie über ein Trägergas aus Argon und Stickstoff in das Röntgenlicht des Lasers. Trifft ein Röntgenstrahl auf ein Rußpartikel, entsteht ein Beugungsbild, aus dem die Forscher die Struktur des Teilchens ableiteten. Da die Partikel anschließend sofort verdampfen, wurde ihre chemische Zusammensetzung mit einem Massenspektrometer ermittelt.

Insgesamt konnte das Team 174 einzelne Rußpartikel mit dem Freie-Elektronen-Laser erfassen. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf Teilchen, die kleiner waren als 2,5 Mikrometer. Aerosole dieser Größe beeinflussen in mehreren Kilometern Höhe, wie das Sonnenlicht von der Erdatmosphäre absorbiert wird. Befinden sie sich dagegen nah über der Erdoberfläche, gelangen sie beim Einatmen leicht in die Lunge. Das könnte Folgen für die Gesundheit haben: Wissenschaftler vermuten, dass sie die Funktion von Lungenzellen beeinträchtigen.

Das Team stellte nicht nur fest, dass die Struktur der Partikel noch komplizierter ist, als bisherige Untersuchungen gezeigt hatten. Sie scheint noch dazu sehr variabel zu sein. Das deutet daraufhin, dass sie sich häufig umorganisiert, während die Rußpartikel durch die Luft schweben, schlussfolgern die Forscher.

Mit ihrer Technik hoffen die Wissenschaftler, bald komplexere Prozesse wie zum Beispiel die Entstehung von Ruß im Verbrennungsmotor oder die Eiskristallbildung in Wolken beobachten zu können. Auch Proteine haben eine ähnliche Größe wie Aerosole und eine veränderliche Struktur. „Künftig könnte es möglich sein, diese Technik über Aerosole hinaus auszudehnen auf die Untersuchung allgemeiner Strukturänderungen in biologischen Systemen“, erklärt Andrew Martin vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg, der ebenfalls an der Studie beteiligt war.