Ultradünne Wasserfilme zum Fließen gebracht

  • 25. August 2015

Neues Flachstrahlsystem für die Spektroskopie flüssiger Proben mit weicher Röntgenstrahlung.

Element-spezifische Röntgenmethoden nehmen eine Schlüsselrolle bei der Untersuchung der atomaren Struktur und Zusammensetzung funktionaler Materialien ein. Mithilfe der Röntgenspektroskopie lassen sich Oxi­da­tions­zustände, Abstände, Koordinationszahlen und die Art der nächsten Nachbarn des ausgewählten Elementes bestimmen. Für die Untersuchung gas­förmiger, flüssiger und fester Proben oder molekularer Systeme an Grenz­flächen steht eine große Zahl spektroskopischer Methoden mit Röntgen­strahlung zur Verfügung. Dabei werden stationäre und zeitabhängige Material-Eigenschaften vorwiegend an Synchrotron-Strahlungsquellen und neuerdings an Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern bestimmt.

Flachstrahlsystem

Abb.: Flachstrahlsystem für Flüssigkeiten mit den beiden Düsen, den beiden kollidierenden laminaren Flüssigkeitsstrahlen und dem 1 mm breiten und 5 mm langen blattförmigen Wasserfilm mit einer Dicke von 1 bis 2 Mikrometern. (Bild: MBI)

Die Untersuchung flüssiger Proben mit Ab­sorptionsspektroskopie im weichen Röntgen­bereich stellt eine besondere Herausforderung dar. Zum einen müssen die Experimente unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchgeführt werden, in einer Umgebung also, die scheinbar unvereinbar mit dem hohen Dampfdruck von Wasser ist. Zum anderen erfordert die Messung der Trans­mission aufgrund der großen Absorptions­quer­schnitte im weichen Röntgen­bereich schwierig zu realisierende Proben­dicken im Bereich von einem Mikrometer und darunter. Im Gegensatz dazu sind Messungen des Absorptionsspektrums basierend auf dem Nachweis sekundärer Zerfallssignale, wie zum Beispiel der Röntgenfluoreszenz, auf ver­gleichs­weise hoch konzentrierte Proben beschränkt.

Eine Lösung für diese Probleme stellt die Verwendung von Zellen mit dünnen Membran-basierten Fenstern für Transmissions-Messungen dar. Damit lässt sich die Dicke des Flüssigkeitsfilms zwar kontrollieren. Doch können damit keine strahlungsempfindlichen molekularen Proben untersucht werden, da die Probe im Röntgenstrahl oder in einem sichtbaren Laserstrahl in Laser-Anrege- und Röntgen-Abfrage-Messungen zerstört wird. Dieser Strahlenschaden lässt sich vermeiden, wenn die Probe in einem Flüssigkeitsstrahl kontinuierlich ersetzt wird. Mit solchen Flüssigkeitsstrahlen, bei denen die Flüssigkeit durch eine Düse in die Hochvakuumkammer gepresst wird, ist es jedoch schwierig oder gar unmöglich, Probendicken im Bereich von einem Mikrometer oder darunter zu realisieren.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, des Helmholtz-Zentrums Berlin und des MPI für Dynamik und Selbstorganisation haben nun die erfolgreiche Umsetzung eines neuartigen Flachstrahlsystems für Transmissionsmessungen flüssiger Proben im weichen Röntgenbereich gezeigt. Dabei wurde ein wohlbekanntes Phänomen aus der Fluiddynamik ausgenutzt: Wenn sich zwei identische laminare Flüssigkeitsstrahlen unter einem wohldefinierten Winkel treffen, breitet sich die Flüssigkeit radial aus, was zur Ausbildung eines dünnen blattförmigen Flüssigkeitsfilm senkrecht zur Ebene der beiden Strahlen führt. Dieser Film wird durch eine ebenfalls aus der Flüssigkeit gebildeten Randlippe stabilisiert.

Die Innovation besteht hier darin, dass ein über Stunden stabiler Flachstrahl im Vakuum mit einer Dicke im Bereich von einem bis zwei Mikrometer realisiert und angewendet wurde. Erstmalig konnten damit Absorptions­spektren flüssiger Proben in Transmission mit Photonenenergien im Weichröntgenbereich und völlig ohne Membran-basierte Fenster gemessen werden. Die röntgenspektroskopischen Messungen wurden an der Synchrotron-Strahlungsquelle für weiche Röntgenstrahlung BESSY II des HZB durchgeführt. Dieser technologische Durchbruch eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die stationäre und zeitaufgelöste Spektroskopie flüssiger Proben mit weicher Röntgenstrahlung.

FVB / RK

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