Hummerpanzer im Teilchenbeschleuniger: Neue Methode enthüllt exakte 3D-Kristallstruktur

10. August 2016, 14:56
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Bisherige Methoden lieferten nur verschwommenes Bild der räumlichen Ausrichtung

Wien – Der Panzer eines Hummers, menschliche Knochen oder Korallenstöcke – sie alle sehen zwar unterschiedlich aus, sind aber in ähnlicher Weise aus winzigen Kristallen aufgebaut. Ihre Ausrichtung bestimmt die Materialeigenschaften. Wiener Forscher haben solche Gebilde mit Röntgenstrahlen aus einem Teilchenbeschleuniger beschossen und anhand der Ablenkung unterschiedlicher Wellenlängen das dreidimensionale Kristallgefüge errechnet. Die Studie erschien im Fachblatt "Angewandte Chemie".

Zuvor konnte man nur die zweidimensionale Struktur genau bestimmen, so Helga Lichtenegger von der Universität für Bodenkultur (Boku) Wien, die bei den Untersuchungen ein internationales Team geleitet hat. Die Röntgenstrahlen wechselwirken in solchen Analysen mit den Atomen der Kristalle. Dadurch entsteht ein Beugungsmuster, das ihre Anordnung verrät.

Für eine dreidimensionale Untersuchung musste man bisher Proben-Schnitte hin und her kippen, und bei jeder Durchstrahlungsrichtung änderte sich das beleuchtete Volumen, erklärte Lichtenegger. Dadurch kam es zu Ungenauigkeiten und einem recht verschwommenen Bild der Kristalle.

"Mehrfarbiges" Röntgenlicht

Die Forscher haben nun Karbonröhren und Hummerpanzer nicht wie üblich mit Röntgenstrahlen einer Wellenlänge von mehreren Seiten traktiert, sondern stets aus einer Richtung mit "weißem" Röntgenlicht aus dem Synchrotron (ein ringförmiger Teilchenbeschleuniger) des europäischen Großforschungszentrums in Grenoble (Frankreich). Anstatt eines einzigen Energieniveaus ließen sie also ein ganzes Wellenlängen-Spektrum auf die Proben los.

Mit einer speziellen Kamera zeichneten sie die Beugungsmuster der verschiedenen Energiestufen auf und ermittelten daraus die dritte Dimension. "Gleichzeitig erhält man durch Röntgenfluoreszenz im Material Einblick in dessen chemische Zusammensetzung", erklärten sie in einer Aussendung.

Anhand von Karbonfasern, deren Textur sehr gut bekannt ist, haben die Forscher demonstriert, dass ihre neue Methode probat funktioniert. Zusätzlich untersuchten sie Hummerschalen. Diese bestehen aus Lagen spiralförmig angeordneter Chitinfasern mit Calciumkarbonat-Einlagerungen, berichten sie. Senkrecht dazu seien Calcit-Kriställchen angeordnet. (APA, red, 10.8.2016)

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