Ultradünne Wasserfilme zum Fließen gebracht

Flachstrahlsystem für Flüssigkeiten

Flachstrahlsystem für Flüssigkeiten mit den beiden Düsen, den beiden kollidierenden laminaren Flüssigkeitsstrahlen und dem einen Millimeter breiten und fünf Millimeter langen blattförmigen Wasserfilm mit einer Dicke von ein bis zwei Mikrometern. Die Dicke des Films wurde aus Transmissionsmessungen an der Sauerstoff-Absorptionskante bestimmt (links). Das Flachstrahlsystem ermöglicht Absorptionsmessungen im weichen Röntgenbereich in Transmission, wie beispielhaft mit der Messung des Absorptionsspektrums an der Stickstoff-Absorptionskante von Ammoniumchlorid gezeigt werden konnte (rechts).

Teams des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, des HZB und des MPI für Dynamik und Selbstorganisation haben ein Flachstrahlsystem für Transmissionsmessungen flüssiger Proben im weichen Röntgenbereich entwickelt.

Element-spezifische Röntgenmethoden nehmen eine Schlüsselrolle bei der Untersuchung der atomaren Struktur und Zusammensetzung funktionaler Materialien ein. Mithilfe der Röntgenspektroskopie können Oxidationszustände, Abstände, Koordinationszahlen und die Art der nächsten Nachbarn des ausgewählten Elementes bestimmt werden. Mit einer großen Vielfalt spektroskopischer Methoden mit Röntgenstrahlung wurden bisher zahlreiche gasförmige, flüssige und feste Proben oder molekulare Systeme an Grenzflächen untersucht. Dabei konnten stationäre und zeitabhängige Materialeigenschaften vorwiegend an Synchrotronstrahlungsquellen und neuerdings an Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern bestimmt werden. Die Untersuchung flüssiger Proben mit Absorptionsspektroskopie im weichen Röntgenbereich (im Energiebereich von etwa 0,2 bis 1,5 keV) 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 (ein Mikrometer = ein Millionstel Meter). Im Gegensatz dazu sind Messungen des Absorptionsspektrums basierend auf dem Nachweis sekundärer Zerfallssignale, wie zum Beispiel der Röntgenfluoreszenz, auf vergleichsweise hochkonzentrierte Proben beschränkt.

Phänomen aus der Fluiddynamik genutzt

Eine Lösung für diese Probleme stellt die Verwendung von Zellen mit dünnen Membranbasierten Fenstern für Transmissionsmessungen dar. Damit kann die Dicke des Flüssigkeitsfilms zwar kontrolliert werden, allerdings können damit keine strahlungsempfindlichen molekularen Proben untersucht werden: Die Probe wird im Röntgenstrahl oder in einem sichtbaren Laserstrahl in Laser-Anrege- und Röntgen-Abfrage-Messungen zerstört. Dieser Strahlenschaden lässt sich vermeiden, indem 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 schwierig oder gar unmöglich, Probendicken im Bereich von einem Mikrometer oder darunter zu realisieren. In einer Zusammenarbeit haben nun Wissenschaftler des HZB gemeinsam mit Kollegen des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) und des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) ein neuartiges Flachstrahlsystem für Transmissionsmessungen flüssiger Proben im weichen Röntgenbereich erfolgreich angewendet. Dabei wurde ein wohlbekanntes Phänomen aus der Fluiddynamik genutzt: Wenn sich zwei identische laminare Flüssigkeits-strahlen 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 gebildete Randlippe stabilisiert. Die Innovation besteht darin, dass ein über Stunden stabiler Flachstrahl im Vakuum (bei Drücken kleiner als 10-3mbar) mit einer Dicke im Bereich von einem bis zwei Mikrometern 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 BESSYII durchgeführt. Dieser technologische Durchbruch eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die stationäre und zeitaufgelöste Spektroskopie flüssiger Proben mit weicher Röntgenstrahlung.


Struct. Dyn. 2, 054301 (2015); (DOI: 10.1063/1.4928715): A liquid flatjet system for solution phase soft-x-ray spectroscopy; M. Ekimova et. al