Mikroskop macht Nanopartikel in Flüssigkeit sichtbar

Rasterkraft- und Elektronenmikroskope können 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 Forschergruppe, die sich frei bewegende Nanopartikel in einer flüssigen Lösung untersuchte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten sie trotz der Bewegung die dreidimensionale Struktur dieser Nanopartikel mit nahezu atomarer Auflösung sichtbar machen.

Zerfurchte Struktur eines Kristalls
Platin-Nanokristall

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 (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 notwendig. Alivisatos und Kollegen nutzten dazu einen leistungsfähigen Computeralgorithmus, mit dem sich die jeweilige Ausrichtung der sicher bewegenden Nanoteilchen bestimmen ließ. Dank der 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 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“, schrieb Christian Colliex von der Université Paris Sud XI in einem begleitenden Kommentar über die Studie.