Komitee Forschung mit Synchrotronstrahlung: Dynamik

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Dynamik

Eine große Anzahl physikalischer Eigenschaften von Kristallen und amorpher oder schlecht kristallisierbarer Materie, also von Gläsern, Polymeren und Biopolymeren, sind dynamischer bzw. kinetischer Natur. Dabei seien "dynamisch" und "kinetisch" ganz grob durch ihre Zeitskalen unterschieden: Im ersten Fall hat man es mit atomaren oder molekularen Zeiten, also von etwa 10^-14 bis 10^-7 sec, zu tun, im zweiten mit makroskopischen Zeiten, von 10^-6 sec bis in den Bereich von Stunden. Diese große Zeitskala umspannt eine Vielzahl von Phänomenen: Die kürzesten der genannten Perioden entsprechen etwa den thermischen Schwingungen der Atome (Phononen) in der Struktur von Diamant oder Silizium; Zeiten um 10^-9 sec sind typisch für die Diffusion von Atomen in Kristallen und für Bewegungsabläufe in Polymeren und Biopolymeren.

Mit Synchrotronstrahlung kommt man Schwingungen und Bewegungen in verschiedenen Größen- und Zeitskalen auf die Spur. So lassen sich zum Beispiel chemische Reaktionen oder strukturellen Änderungen wie die Faltung von Proteinen in Echtzeit mit zeitaufgelöster Röntgenstreuung verfolgen.

Die Gitterschwingungen in Kristallen stehen im Mittelpunkt der Phononenspektroskopie. Die wichtigsten Merkmale, die die dafür verwendete inelastische Röntgenstreuung von der etablierten kohärenten inelastischen Neutronenstreuung unterscheidet, sind die Abwesenheit von kinematischen Begrenzungen und die Möglichkeit, Untersuchungen an sehr kleinen Proben durchzuführen. Dies hat neue Möglichkeiten in Gebieten erschlossen, die von der Biologie über die Geophysik zur Materialforschung reichen.

Auch langsamere Vorgänge, wie zum Beispiel Diffusion, können verfolgt werden. Diffusion spielt nicht nur in Flüssigkeiten und kolloidalen Systemen, sondern auch in kristallinen Festkörpern im täglichen Leben eine wichtige Rolle, beispielsweise beim Rosten von Metallen, bei der Dotierung von Halbleitern, beim Nitrieren von Stahl etc. Mit einer relativ neuen Methode, der Röntgen-Photonenkorrelationsspektroskopie (XPCS), kann man die zugrunde liegenden Prozesse auf atomarer Ebene erfassen.

Quelle: RWTH Aachen: Kristallographie: Jetzige und zukünftige Aufgaben

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