Material Sciences

Research report (imported) 2009 - Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

Charakterisierung komplexer Nanomaterialien mit Synchrotron-Röntgenbeugung

Characterisation of complex nanomaterials using synchrotron radiation based x-ray diffraction

Authors

Paris, Oskar

Departments

Biomaterialien (Prof. Dr. Peter Fratzl)
MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam

Moderne Röntgenbeugungsmethoden können unter Einsatz von Mikrofokus-Synchrotronstrahlung die hierarchische Struktur biologischer Materialien auf verschiedenen Längenskalen abbilden und beschreiben. In-situ-Beugungsexperimente ermöglichen außerdem die Untersuchung von Materialien und deren nanostrukturelle Änderungen aufgrund äußerer Einflüsse wie mechanische Verformung oder Änderung der Feuchte. Vorgestellt wird ein neuentwickeltes Instrument der Max-Planck-Gesellschaft an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin, an dem solche Experimente mit hoher Auflösung möglich sind.
Modern X-ray diffraction techniques using microbeam radiation from synchrotron sources allow the imaging of the hierarchical structure of biological materials on different length scales. Moreover, in-situ X-ray diffraction provides the possibility to follow nanostructural changes of materials as a consequence of external influences such as mechanical deformation or humidity changes. This article presents a novel scientific instrument developed by the Max Planck Society at the BESSY storage ring in Berlin, which permits such experiments to be conducted with high resolution.

Einleitung

Biologische Materialien wie Knochen, Zähne, Pflanzenzellwände oder Schalenpanzer von Muscheln und Krustentieren sind hierarchisch aufgebaut [1, 2]. So ist Knochen ein Verbundmaterial aus einer organischen Matrix (dem Strukturprotein Kollagen) und eingelagerten Kalziumphosphat-Nanopartikeln. Ähnlich ist es beim Exoskelett von Schalentieren wie z.B. der Hummerschale. Die organische Matrix besteht aus Chitin (einem Polysaccharid, ähnlich der Zellulose in Pflanzen) und Proteinen mit Einlagerungen aus kristallinem oder amorphem Kalziumkarbonat. Mineralisierte organische Fibrillen bilden in beiden Fällen die Grundbausteine der Struktur auf der Nanometerebene. Sie sind aber – je nach Typ des Gewebes – in völlig anderer Weise auf der Mikrometerebene zusammengefügt. Deshalb ist es für die Charakterisierung der hierarchischen Strukturen nötig, Rastermethoden zu benutzen oder zu entwickeln, die auf nanometergroße Strukturen sensitiv sind und gleichzeitig Ortsauflösung im Mikrometerbereich besitzen.

Für ein tieferes Verständnis der Funktionseigenschaften solcher Materialien ist es außerdem hilfreich, die Veränderung der Struktur aufgrund äußerer Einflüsse zu erfassen. So sind die oben genannten Gewebe immer optimiert bezüglich mehrerer, oft widerstreitender mechanischer Funktionen wie z.B. Festigkeit und Zähigkeit. Äußere mechanische Belastungen, die Änderung der Feuchte oder der Temperatur bei gleichzeitiger Verfolgung der Strukturänderungen auf mehreren Hierarchieebenen in so genannten In-situ- Experimenten bieten hier neue Möglichkeiten. Insbesondere können die Erkenntnisse aus solchen Messungen dazu genutzt werden, in Zukunft neuartige Funktionsmaterialien nach biomimetischen Prinzipien herzustellen.

Neben sehr aufwändigen Methoden wie z.B. der Transmissionselektronenmikroskopie oder rein oberflächensensitiven Rastersondentechniken ist die Beugung (oder Streuung) von Röntgenstrahlen eine etablierte Methode zur Untersuchung von Nanostrukturen im Bereich von atomaren Abständen bis zu einigen hundert Nanometern. Nutzt man eine Strahlgröße von wenigen Mikrometern Durchmesser und rastert mit diesem Strahl über eine inhomogene Probe, ist es möglich, hierarchische Informationen über zwei Längenskalen gleichzeitig zu erhalten: über die Nanometer-Skala aus den Röntgenbeugungsbildern und über die Mikrometerskala aus den Rasterbildern. Ein Instrument, welches dies leistet wurde in den vergangenen Jahren an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin von Mitarbeitern des MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Kooperation mit BESSY, der Bundesanstalt für Materialforschung (BAM) und der TU Berlin entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Hier soll das Instrument vorgestellt und ein Überblick über die Möglichkeiten für ortsaufgelöste und In-situ-Experimente anhand von zwei Anwendungen gegeben werden.

Röntgenstreuung mit Mikrofokus-Synchrotronstrahlung

Der experimentelle Aufbau für ein „Rasterbeugungsmikroskop“ für harte Röntgenstrahlen ist denkbar einfach und in Abbildung 1a dargestellt. Ein Röntgenstrahl durchdringt eine Probe, die gebeugten Röntgenstrahlen werden von einem großflächigen Detektor aufgezeichnet. Die Auswertung der Beugungsbilder gibt Informationen über die Gitterstruktur kristalliner Komponenten in der Probe. Diese werden aus der Intensitätsverteilung bei großen Streuwinkeln (wide-angle X-ray scattering, WAXS) generiert. Über die Struktur von Inhomogenitäten im Nanometerbereich gibt die Intensitätsverteilung bei kleinen Winkeln (small-angle X-ray scattering, SAXS) Auskunft. Gleichzeitig kann das Röntgenfluoreszenzsignal (X-ray fluorescence, XRF) mit einem zusätzlichen Detektor aufgezeichnet werden. Dieses Signal gibt Informationen über die chemische Zusammensetzung der Probe. Wichtig ist hierbei, dass die Informationen nur vom aktuell mit dem Röntgenstrahl beleuchteten Probenvolumen stammen. Eine Verkleinerung des Röntgenstrahldurchmessers bedeutet automatisch auch eine Verbesserung der Ortsauflösung beim Rastern. Das ist auch der Grund, warum Synchrotronstrahlung für ein solches Instrument notwendig ist. Nur an modernen Synchrotronstrahlungsquellen sind harte Röntgenstrahlen mit ausreichender Intensität und Mikrometer-Strahlgrößen möglich.

Das neue Instrument bei BESSY II stellt eine Strahlgröße von 10 Mikrometer zur Verfügung. Die Auflösung in den Beugungsspektren erstreckt sich von zirka 0,1 Nanometer bis 50 Nanometer (Abb. 1c) [3, 4]. Die Probe kann senkrecht zum Strahl gerastert und gedreht werden, während ein Lichtmikroskop die genaue Lage des Röntgenstrahls auf der Probe festhält (Abb. 1b). Durch die hohe Durchdringungskraft der Röntgenstrahlen kann die Probe in Luft bzw. in einer definierten Atmosphäre untersucht werden, was die Durchführung von In-situ-Experimenten sehr erleichtert, bzw. oft sogar erst ermöglicht.

Messplatzaufbau:
 a) Schema des MPG-Messplatzes für simultane Röntgen Kleinwinkel- (SAXS) und Weitwinkelstreuung (WAXS) sowie -Fluoreszenz (XRF) an de Bild vergrößern
Messplatzaufbau: a) Schema des MPG-Messplatzes für simultane Röntgen Kleinwinkel- (SAXS) und Weitwinkelstreuung (WAXS) sowie -Fluoreszenz (XRF) an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin-Adlershof. Die Probe kann senkrecht zum Mikrostrahl, ähnlich wie in einem Rasterelektronen- oder Rasterkraftmikroskop „gescannt“ werden und liefert für jeden Rasterpunkt ein zweidimensionales (2D) Streubild auf dem Flächendetektor sowie ein Röntgenfluoreszenzspektrum. b) Lichtmikroskopisches Bild zweier gekreuzter Kollagenfaserbündel (Rattenschwanzsehnen) und dazugehöriges SAXS/WAXS-Bild gemessen an der Stelle des roten Fadenkreuzes. c) Darstellung der hierarchischen Längenskalen die simultan durch das Instrument abgedeckt werden: ca. 0,1 Nanometer bis 50 Nanometer im „reziproken Raum“ durch Auswertung der Streubilder; ca. 10 Mikrometer bis mehrere Millimeter durch Rastern mit dem Mikrostrahl. [weniger]

Ortsaufgelöste Experimente an hierarchisch strukturierten biologischen Materialien

Eines der wichtigsten Einsatzgebiete des Instruments ist die ortsaufgelöste Untersuchung der Struktur von hierarchisch aufgebauten biologischen und biomimetischen Materialien. In den vergangenen zwei Jahren wurden bereits mehrere erfolgreiche Experimente an biologischen Materialien veröffentlicht [5-7]. Weitere Untersuchungen laufen noch. Insbesondere wurden Messungen an menschlichen Knochenbiopsien in Zusammenhang mit Knochenkrankheiten und deren Therapie durchgeführt.

Eine der wesentlichen neuen Informationsquellen solcher Messungen sind Bilder, die aus den Rasterbeugungsmessungen erstellt werden. Dies soll am Beispiel der Hummerschale erläutert werden. Das Lichtmikroskopiebild eines Querschnitts durch eine Hummerschale zeigt eine Lamellenstruktur mit etwa 40-50 Mikrometer Abstand im inneren („Endocuticle“) Bereich der Schale (Abb. 2a). Rastert man in diesem Bereich mit einem 10 Mikrometer breiten Strahl senkrecht zur Schalenoberfläche über mehrere Lamellen und rotiert die Probe für jeden Rasterpunkt um die eingezeichnete Achse, so kann daraus ein „Bild“ konstruiert werden (Abb. 2c). Alle „Pixel“ dieses Bildes bestehen aus einem Röntgenkleinwinkelbild (SAXS), das Informationen über die Größe, Form und Orientierung der nur einige Nanometer großen Chitinfibrillen enthält. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Streubildform und der Orientierung der Nanofibrillen (siehe Abb. 2b) kann man daraus die Orientierungsverteilung der Chitinfibrillen ablesen. Im vorliegenden Beispiel sind die Chitinfibrillen in Schichten parallel zur Schalenoberfläche angeordnet. Sie rotieren innerhalb dieser Ebene in einer spiraligen Weise um eine Achse senkrecht zur Oberfläche. Eine volle Umdrehung dieser Spirale um 180° entspricht dabei dem Lamellenabstand von 40 Mikrometern. Diese so genannte „spiralförmige Sperrholzstruktur“ (helicoidal plywood structure) ist ein häufiges Strukturmotiv in natürlichen Materialien und dient der Optimierung der mechanischen Eigenschaften.

Natürlich sind solche qualitativen Bilder nur der erste Schritt zu einem besseren Verständnis der hierarchischen Struktur und der vielfältigen Funktion solcher Materialien. Die detaillierte Auswertung der Beugungsbilder, Rasterpunkt für Rasterpunkt, liefert eine Fülle von wertvollen quantitativen Informationen. Für die Hummerschale sind das z.B. lokale Orientierungsbeziehungen zwischen den Chitinfibrillen und Kalziteinlagerungen sowie die räumliche Verteilung von kristallinem und amorphem Kalziumkarbonat [5].

Hierarchische Struktur biologischer Materialien:
 a)   Lichtmikroskopisches Bild eines dünnen Querschnitts durch eine Hummerschale. Die äußere Schicht Bild vergrößern
Hierarchische Struktur biologischer Materialien: a) Lichtmikroskopisches Bild eines dünnen Querschnitts durch eine Hummerschale. Die äußere Schicht wird mit „Exocuticle“, die innere mit „Endocuticle“ bezeichnet. b) Das SAXS-Bild eines Bündels aus Chitin-Nanofasern ist isotrop (kreisförmig) für Faserorientierungen parallel zum Röntgenstrahl und stark anisotrop (elongiert senkrecht zur Faserrichtung), wenn die Fasern senkrecht zum Strahl liegen. c) Kompositbild, bestehend aus einzelnen SAXS-Bildern, gemessen mit einem 10 Mikrometer breiten Strahl. Auf der horizontalen Achse ist der Rotationswinkel ω um die z-Achse, auf der vertikalen Achse die Scankoordinate z entlang der roten Linie in a) aufgetragen. d) Die charakteristische Änderung der Anisotropie der SAXS-Bilder mit ω und z führt zu einem Modell für die Anordnung der Chitinfaserbündel in der Hummerschale. [weniger]

In-situ-Experimente zur Erforschung mikro- und nanomechanischer Eigenschaften komplexer Materialien

Erfolgreiche In-situ- Verformungsexperimente, die dem besseren Verständnis mechanischer Eigenschaften biologischer Materialien dienen, wurden bereits in den vergangenen Jahren an anderen Synchrotronstrahlungsquellen durchgeführt [8]. Diese Verformungsexperimente werden am MPG-Messplatz (BESSY) mit der Erweiterung auf Änderungen der Feuchte und Temperatur fortgesetzt. Ein weiteres aktuelles Thema befasst sich mit der Änderung der Nanostruktur von porösen Materialien aufgrund der Wechselwirkung mit Fluiden (z.B. Wasser). Abbildung 3a (Schema) zeigt eine in Kooperation mit der TU Berlin entwickelte Apparatur. Mit dieser können In-situ-Strukturänderungen von nanoporösen Proben während der kontrollierten Adsorption von Gasen untersucht werden. Als Modellsysteme für solche grundlegenden Untersuchungen werden synthetisch hergestellte Materialien mit geordneten Porengittern (z.B. geordnete nanoporöse Gläser) eingesetzt. Es zeigt sich, dass die feste Glasmatrix erheblich unter dem Einfluss des adsorbierenden Gases verformt wird. Diese Verformungen beeinflussen ihrerseits wieder den gas-flüssig Phasenübergang des Fluids [9]. Dabei ist wichtig, dass diese neu entdeckten elastischen Wechselwirkungen zwischen Festkörpern und Fluiden eine direkte Folge der sehr kleinen Porendimension sind. Beim Einsatz moderner nanoporöser Materialien für die Trennung oder Katalyse sind solche Effekte zu berücksichtigen. Kleine Porendimensionen und die aus der großen Oberfläche resultierenden starken Wechselwirkungen zwischen fluiden- und festen Phasen sind natürlich auch für viele biologische Materialien relevant, wie z.B. die Bewegung von bestimmten Pflanzen bei Änderung der Luftfeuchtigkeit [10].

Verformung von nanoporösen Materialien durch Wechselwirkung mit Fluiden: 
 a) Schematischer Aufbau der in-situ Apparatur. In einer temperierten Proben Bild vergrößern
Verformung von nanoporösen Materialien durch Wechselwirkung mit Fluiden: a) Schematischer Aufbau der in-situ Apparatur. In einer temperierten Probenkammer wird druckkontrolliert das zu adsorbierende Gas eingelassen. Es werden Röntgenbeugungsbilder einer nanoporösen Probe als Funktion des Gasdruckes aufgenommen. b) 2D-Beugungsbild eines nanoporösen Glases mit zylindrischen Poren. Die Poren sitzen auf einem hexagonal geordneten zweidimensionalen Gitter ähnlich einer Bienenwabenstruktur. Der Porendurchmesser beträgt jedoch hier nur etwa 4 nm. c) Die scharfen Beugungsreflexe (azimuthale Mittelung der Ringe in b)) stammen von der periodischen Anordnung der Nanoporen. Verformt sich das Porengitter infolge der Adsorption bzw. Kondensation eines Gases (hier Pentan, C5H12), so äußert sich dies in einer Verschiebung der Beugungsreflexe wie in der vergrößerten Einfügung gezeigt. d) Die sogenannte Verformungsisotherme zeigt den Verlauf der Porengitterverformung als Funktion des relativen Gasdruckes p/p0 bei konstanter Temperatur. Während die Adsorption des Gases bei kleinen Drücken mit einer leichten Dehnung des Gitters einhergeht, führt die sogenannte Kapillarkondensation, d.h. der gas-flüssig Phasenübergang in den Nanoporen zu einer starken Kompression und nachfolgender erneuter starken Dehnung des Gitters. [weniger]

Zusammenfassung und Ausblick

Das neue MPG-Instrument für Mikrofokus-Röntgenbeugung bei BESSY in Berlin eignet sich sowohl für die Untersuchung der Struktur hierarchischer Materialien auf verschiedenen Längenskalen, als auch für In-situ- Experimente zur Verfolgung von Änderungen der Nanostruktur aufgrund äußerer Einflüsse. Eine wichtige zukünftige Entwicklung betrifft die Zusammenführung dieser beiden Möglichkeiten, d.h., die Durchführung ortsaufgelöster In-situ-Experimente an hierarchischen biologischen Materialien. Ein Beispiel wäre etwa ein In-situ-Biegeexperiment der beschriebenen Hummerschalen bei gleichzeitigem Abrastern der unterschiedlich verformten Bereiche. Eine große Herausforderung in der Zukunft stellt auch die Automatisierung der Auswertungen der 2D-Beugungsdaten dar, sodass man „online“ Bilder direkt als Resultat der Messung erhält. Erst dadurch wird der Schritt vom ortsaufgelösten Beugungsexperiment zum „Rasterbeugungsmikroskop“ vollzogen.

Originalveröffentlichungen

1.
P. Fratzl, R. Weinkamer:
Nature's hierarchical materials.
2.
S. Weiner, L. Addadi, H. D. Wagner:
Materials design in biology.
3.
O. Paris, C. Li, S. Siegel, G. Weseloh, F. Emmerling, H. Riesemeier, A. Erko, P. Fratzl:
A new experimental station for simultaneous X-ray microbeam scanning for small-and wide-angle scattering and fluorescence at BESSY II.
4.
O. Paris:
From diffraction to imaging: New avenues in studying hierarchical biological tissues with x-ray microbeams (Review).
5.
A. Al-Sawalmih, C. Li, S. Siegel, H. Fabritius, S. Yi, D. Raabe, P. Fratzl, O. Paris:
Microtexture and chitin/calcite orientation relationship in the mineralized exoskeleton of the American lobster.
6.
M. Rueggeberg, T. Speck, O. Paris, C. Lapierre, G. Koch, I. Burgert:
Stiffness gradients in vascular bundles of palm trees - a strategy to minimize local stress concentrations under wind loads.
7.
A. N. Kulak, P. Iddon, Y. Li, S. Armes, H. Coelfen, O. Paris, R. M. Wilson, F. C. Meldrum:
Continuous structural evolution of calcium carbonate particles: A unifying model of copolymer-mediated crystallization.
8.
H. Gupta, J. Seto, W. Wagermaier, P. Zaslansky, P. Boesecke, P. Fratzl:
Cooperative deformation of mineral and collagen in bone at the nanoscale.
9.
G. Guenther, J. Prass, O. Paris, M. Schoen:
Novel insights into nanopore deformation caused by capillary condensation.
10.
R. Elbaum, L. Zaltzman, I. Burgert, P. Fratzl:
The role of wheat awns in the seed dispersal unit.
 
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