Blick in die Nanowelt

Die neu entwickelte Nanosims-Ionenmikrosonde eröffnet ein neues Fenster ins Weltall.

Endlich ist es soweit: seit Anfang Februar ziert die kostbare Nanosims-Ionenmikrosonde das eigens für sie neu eingerichtete Laboratorium in der Abteilung Kosmochemie des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz. Das weltweit zweite Gerät dieser Art ist ein Sekundärionenmassenspektrometer (SIMS) der französischen Firma Cameca, die bei der Festlegung der Spezifikationen und Geräteeigenschaften sowie dem Design und den abschließenden Testmessungen eng mit dem Mainzer Institut und dem Laboratory for Space Sciences an der Washington University in St. Louis – an das vor Kurzem das andere Instrument ging – zusammengearbeitet hat. „Mit der Hilfe der Nanosims-Ionenmikrosonde können wir nun zum ersten Mal Meteoritenmaterie und interstellare Staubpartikel im Größenbereich von weniger als 100 Nanometern (Millionstel eines Millimeters) untersuchen und hoffen damit viele offene Fragen in der Kosmochemie und Astrophysik beantworten zu können“, berichtet Dr. Peter Hoppe, Leiter der SIMS-Arbeitsgruppe.

Bei der Sekundärionenmassenspektrometrie wird die feste Probe mit einem Primärionenstrahl, z.B. mit Cäsium- oder Sauerstoffionen, beschossen. Die dabei erzeugten Sekundärionen werden massenspektrometrisch analysiert, wobei ein dreidimensionales Bild der Element- und Isotopenzusammensetzungen einer Probe gewonnen wird. Die SIMS-Methode findet eine breite Anwendung in der Kosmochemie, Geochemie und Geologie. In den letzten Jahren wurden insbesondere präsolare Körner, die älter sind als das Sonnensystem selbst und sich direkt aus Auswurfmaterial von Sternen (Sternenstaub) gebildet haben, untersucht. Die Isotopenanalysen an präsolaren Staubkörnern, die in primitiven Meteoriten gefunden wurden, liefern Aussagen über die stellare Evolution und die Elementbildung durch kernphysikalische Prozesse im Innern von Sternen, das Kornwachstum in Sternatmosphären und die galaktische chemische Evolution.

Die Messungen mit bisherigen Ionenmikrosonden waren auf Partikel mit Durchmessern größer als 0,5 Mikrometer (Tausendstel eines Millimeters) beschränkt. Das heißt auf vergleichsweise große, nicht repräsentative Körner, denn die beobachteten Durchmesser präsolarer Mineralien – wie z.B. Diamant oder Siliziumkarbid – variieren zwischen einigen Nanometern und einigen Mikrometern. Die neue Nanosims ermöglicht eine räumliche Auflösung bis zu 30 Nanometer bei einer hohen Nachweisempfindlichkeit der Sekundärionen. Es können dabei simultan bis zu sechs Isotope gemessen werden. „Damit wird nicht nur ein repräsentativeres Bild der Isotopenzusammensetzung vieler präsolarer Mineralphasen gewonnen“, erklärt Dr. Hoppe. „Wir werden gezielt nach kleinen präsolaren Staubkörnern suchen, um damit eventuell bis heute nicht nachweisbare präsolare Mineralphasen, wie z.B. Silikate, zu finden. Die Isotopenmessungen wollen wir auch auf neue astrophysikalisch relevante Elemente – z.B. Elemente der Eisengruppe – ausdehnen.“

Mit der neuen Sonde ist eine Vielzahl weiterer Messungen in der Abteilung Kosmochemie geplant. So sollen die Kometenmaterie – wahrscheinlich das ursprünglichste Material in unserem Sonnensystem und daher besonders reich an präsolaren Staubkörnern – und auch heutiger interstellarer Staub untersucht werden. Ein Vergleich von heutigem interstellarem Staub mit solchem aus Meteoriten und Kometen, der vor der Bildung des Sonnensystems, d.h., vor 4,6 Milliarden Jahren entstanden ist, kann wichtige Erkenntnisse über die galaktische chemische Evolution erbringen. Die Nanosims könnte auch dazu beitragen, eine verlässliche Altersbestimmung an direkt gesammeltem Marsgestein zu ermöglichen.

Weitere wichtige Anwendungen sind auch im Bereich der Geochemie und Atmosphärenchemie geplant: Die hohe Auflösung dieses Gerätes wird es ermöglichen, wichtige Fragen zu Differentiation und Evolution der Erde zu beantworten. Wesentliche Fortschritte in der Atmosphärenforschung sind durch die Untersuchung chemischer Reaktionen, die an der Oberfläche von feinen Aerosolpartikeln stattfinden, zu erwarten.

Weitere Informationen erhalten Sie von:
Dr. Peter Hoppe
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Tel.: 06131/305 244
E-Mail: hoppe@mpch-mainz.mpg.de