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Rückführung der Teilchengröße nicht-sphärischer Nanopartikel

23.05.2022

Bild: Berechnete Streukurve der kubischen Wolke punktförmiger Streuer (farbige Punkte) mit dem Streuvolumen als farbigen Hintergrund. Das elektronenmikroskopische Bild (unten links) bestätigt die kubische Form der Teilchen.

Die Röntgen-Kleinwinkelstreuung (englisch Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) eignet sich hervorragend zur rückführbaren Bestimmung der Größe bzw. Größenverteilung von Nanopartikeln. In der PTB wird herfür monochromatisierte Röntgenstrahlung des Vier-Kristall-Monochromator Strahlrohrs im PTB-Labor bei BESSY II verwendet. SAXS wurde auch im kürzlich erfolgreich abgeschlossenen europäischen Forschungsprojekt „Improved traceability chain of nanoparticle size measurements“ (EMPIR 17NRM04, nPSize) eingesetzt. In der PTB waren an diesem Projekt, das sich unter anderem mit der Herstellung und Größenverteilungsbestimmung nicht-sphärischer Nanopartikel beschäftigte, zwei Arbeitsgruppen beteiligt:

In der Arbeitsgruppe 5.24 „Elektronenmikroskopie“ wurden rückgeführte Messungen im Transmissionsmodus eines Rasterelektronenmikroskops (TSEM) durchgeführt. Eine Voraussetzung für solche hochgenauen Messungen ist das Verständnis der Bildentstehung. Die dazu genutzten Monte-Carlo-Simulationen wurden im Rahmen des Projekts deutlich weiterentwickelt und unter anderem um eine detaillierte Behandlung der inelastischen Streuung ergänzt.

Für eine effiziente SAXS-Datenanalyse wurde in der Arbeitsgruppe 7.21 "Röntgenradiometrie" die Auswertesoftware "Computing Debye's scattering formula for Extraordinary Formfactors" (CDEF) entwickelt. CDEF ermöglicht die näherungsweise numerische Berechnung von SAXS-Streukurven von beliebig geformten und isotrop ausgerichteten Nanopartikeln, so dass auf die Verwendung komplizierter analytischer Ausdrücke des jeweiligen Formfaktors verzichtet werden kann. Dazu wird eine 3D-Wolke virtueller punktförmiger Streuer in der Form des gewünschten Partikels erzeugt und anschließend die zugehörige Streukurve mit Hilfe der Debye-Formel berechnet. Im Allgemeinen beschreibt die Streukurve die Intensität der gestreuten Röntgenstrahlung in Abhängigkeit vom Impulsübertrag q der Photonen (Proportional zum Streuwinkel). Die Streukurve eines einzelnen Partikels wird weitgehend durch seine Form bestimmt, so dass die Verwendung des "richtigen" Partikelmodells für eine genaue Datenanalyse unerlässlich ist. CDEF ermöglicht es, die gewünschte Punktwolke benutzerfreundlich zu erzeugen, indem eine entsprechende STL-Datei, die u. a. aus CAD-Programmen importiert werden kann, geladen wird. Die CDEF-Software wurde als Open-Source-Bibliothek in der Programmiersprache Python über den PyPI-Bibliotheksindex frei verfügbar gemacht (https://pypi.org/project/CDEF/).

Die Ergebnisse wurden in zwei gemeinsamen Publikationen mit den Projektpartnern des nPSize-Projektes veröffentlicht, bei denen das Verfahren auf die Charakterisierung kubischer Gold-Nanopartikel mit abgerundeten Kanten und auf Bipyramiden aus TiO2 mit abgeschnittenen Spitzen angewandt wurde. Der Doktorand Jérôme Deumer (PTB AG 7.21) hat für diese Arbeiten auf dem diesjährigen Nordic Workshop on Scattering from Soft Matter (NSSM 2022) einen Preis für den besten Vortrag erhalten.

Die PTB hat sich im Projekt nPSize auch an einer YouTube-Videoreihe beteiligt, in der die praktische Anwendung der Messmethoden gezeigt wird: https://www.youtube.com/channel/UC6kdn4epvHF4OZM7T-mLXJ

Veröffentlichungen:

L. Crouzier et al., 2021. Correlative Analysis of the Dimensional Properties of Bipyramidal Titania Nanoparticles by Complementing Electron Microscopy with Other Methods, Nanomaterials 11(12), 3359.  

DOI: https://doi.org/10.3390/nano11123359

J. Deumer et al., 2022 Small-Angle X-ray Scattering: Characterization of cubic Au nanoparticles using Debye’s scattering formula, Journal of Applied Crystallography, in press

Ansprechpartner:

C. Gollwitzer, 7.21, E-Mail: Opens local program for sending emailChristian.Gollwitzer(at)ptb.de

T. Klein, 5.24, E-Mail: Opens local program for sending emailTobias.Klein(at)ptb.de