Überblicksbeitrag: Methoden der Röntgenstreuung mit Synchrotronstrahlung
Resonantes Röntgenlicht (lila) erzeugt einen rumpfangeregten Zustand am Sauerstoffatom (rot) des H2O-Moleküls. Dies verursacht ultraschnelle Protonendynamik. Die Potentialfläche des elektronischen Grundzustands (unten) und die Bindungsdynamik werden durch spektrale Merkmale der resonanten inelastischen Röntgenstreuung erfasst (rechts).
© Martin Künsting /HZB
Synchrotronlichtquellen liefern brillantes Licht mit dem Fokus auf Röntgenstrahlung und haben unsere Fähigkeiten der Charakterisierung von Materialien enorm erweitert. In den Reviews of Modern Physics gibt ein internationales Team nun einen Überblick über elastische und inelastische Röntgenstreuprozesse, erläutert den theoretischen Unterbau und beleuchtet, welche Einblicke diese Methoden in physikalische, chemische, bio- und energie-relevante Themen eröffnen.
„Mit Röntgenstreuung lassen sich breit gefächerte Fragestellungen untersuchen und lösen: Angefangen mit den Eigenschaften und Anregungen funktionaler Festkörper, über homogene und heterogene chemische Prozesse und Reaktionen, bis hin zum Pfad eines Protons bei der Spaltung von Wasser“, erläutert Prof. Dr. Alexander Föhlisch, der am HZB das Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung leitet.
Der Beitrag gibt einen Überblick über experimentelle und theoretische Ergebnisse auf dem Gebiet der resonanten Streuung von durchstimmbarer weicher und harter Röntgenstrahlung. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS) und der resonanten Auger-Streuung (RAS). In der Übersicht skizzieren die Autoren die wichtigsten Errungenschaften aus den letzten zwei Jahrzehnten an Synchrotronlichtquellen bis hin zu neuesten Fortschritten bei zeitaufgelösten Studien mit Freie-Elektronen-Röntgenlasern.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.