Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at

Einführung in die Nanoanalytik
Eine besondere Herausforderung stellen hierarchisch
strukturierte Systeme dar. Dies sind Systeme,
die z.B. im Größenbereich bis zu 100 nm selbstassemblierte
Strukturen aus kleinsten Einheiten bilden,
und die dann durch entsprechende Manipulationen
bzw. durch Hinzufügung größerer Aufbaustoffe in
einem wesentlich größeren Maßstab stabilisiert werden.
Typische Beispiele sind dafür Verbundwerkstoffe,
aber auch Zellulosefasern und spezielle Wirkstoff-
Transportsysteme (Liposomen, Vesikel). Wesentlich
für diesen Zweig der Forschung und Entwicklung
ist hier ein Methodenverbund, der es gestattet, die
Systeme auf den entsprechenden Längenskalen
zu untersuchen. So ist es z.B. in fluiden Systemen
notwendig, die Röntgen- und Neutronenstreuung mit
der Laserlichtstreuung zu kombinieren.
Eine weitere wichtige Unterscheidung betrifft
auch die Frage, ob eine Substanz in ihrem ganzen
Volumen („Bulk-Phase“) oder an einer dünnen
Oberflächen- oder Grenzschicht charakterisiert
werden muss. Beide Bereiche sind für sich wichtig,
zusätzlich kommt aber auch noch der Aspekt ins
Spiel, dass dünne Grenzschichten oder Oberflächenschichten
aus einer fluiden Bulkphase abgeschieden
werden und die Qualität bzw. Eigenschaften
dieser Schichten stark vom Lösungszustand in
der Bulkphase abhängen. Als weiteres Beispiel sind
Phasenübergänge und kritische Phänomene zu
nennen, die oft bestimmt sind durch kurzreichweitige
Wechselwirkungen zwischen den nanoskopischen
Bausteinen. Diese verhalten sich im Volumen
anders als in niedrig-dimensionalen Strukturen (z.B.
Magnetismus an Oberflächen, in ultradünnen Filmen,
in magnetischen Nanokompositen).
Die für die unterschiedlichen Aggregatzustände
und Einsatzgebiete bestgeeigneten Analysemethoden
sind klarerweise stark unterschiedlich. Dies ist
auch mit ein Grund, warum sich diese (unterschiedlichen)
Methoden an vielen verschiedenen Forschungseinheiten
oft getrennt entwickelt haben.
Nanoanalytische Verfahren
Analytische Verfahren können grundsätzlich in
zwei Klassen eingeteilt werden: zum einen solche
mit integraler Information, d.h. es werden Volumina
bzw. Oberflächenbereiche untersucht, die
wesentlich größer sind als die interessierenden
Grundstrukturen, z.B. Nanoteilchen in einer Bulkphase
oder auf der Oberfläche. Vorteil ist die rasche
Informationsgewinnung mit hoher statistischer Genauigkeit,
z.B. über die Anordnung, Struktur oder
Größe von Nanoteilchen gemittelt über ein großes
Ensemble, man erhält aber keine Information über
die Einzelteilchen. Man weiß z.B. Bescheid über
die Verunreinigung einer relativ großen Halbleiteroberfläche,
welche Fremdmoleküle in welcher
Konzentration vorhanden sind, kann jedoch keine
Angaben über deren Ort machen.
Im Gegensatz zu den integralen Methoden können
Verfahren mit Ortsauflösung eine Auskunft über
die räumliche Verteilung bzw. Orientierung, Struktur
und Zusammensetzung geben, sie haben aber den
Nachteil, dass meist nur relative kleine Bereiche in
akzeptabler Zeit untersucht werden können. Diese
mikroskopischen Techniken ermöglichen dafür aber
eine vollständige Charakterisierung mit Nanometerauflösung
und oftmals sogar mit Zehntel Nanometerauflösung.
Während Rastersondentechniken
die obersten Atomlagen eines Festkörpers erfassen
können, gelingt es mit modernsten elektronenmikroskopischen
Verfahren Information über die
lokale Morphologie, Kristallstruktur, chemische
Zusammensetzung, chemisches Bindungsverhalten
und physikalische Eigenschaften zu erhalten.
Diese Methoden befinden sich derzeit in intensiver
Entwicklung und erlauben die Erfassung lokaler
Phänomene wie z.B. von inneren Grenzflächen,
Defekten, Sekundärphasen in Festkörpern und
deren Wechselwirkung mit der Festkörpermatrix,
dem atomistischen Aufbau von einzelnen Nanoteilchen.
Diese ortsaufgelöste Information kann mit
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Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005