Röntgenblick in eine chemische Reaktion
Wie Eisen-Schwefel-Nanoblätter entstehen
Forschende der Universität Hamburg, der Universität Toulouse und der Forschungsinstitute DESY und ESRF haben erstmals in Echtzeit verfolgt, wie sich Eisen-Schwefel-Nanostrukturen in Lösung bilden. Mit zeitaufgelösten Röntgenmethoden konnten sie den kompletten Reaktionsweg sichtbar machen – von molekularen Vorstufen bis hin zu vollständigen, hauchdünnen Nanoschichten. Die Ergebnisse liefern grundlegende Einblicke in die Entstehung sogenannter metastabiler Materialien und wurden im Journal of the American Chemical Society (JACS) veröffentlicht.
Die Nanostruktur entsteht nicht direkt, sondern über ein schichtartiges Zwischenprodukt, das in zwei Dimensionen wächst und seine Form eines zerknitterten Nanoblattes an das endgültige Material weitergibt.
Ella Maru Studio
Eisen-Schwefel-Verbindungen spielen eine wichtige Rolle sowohl in geologischen Prozessen als auch in technologischen Anwendungen, etwa in der Forschung an Energiewerkstoffen. Besonders interessant ist das Mineral Greigit (Fe₃S₄), das sich durch außergewöhnliche magnetische und elektronische Eigenschaften auszeichnet. Trotz intensiver Forschung war bislang jedoch unklar, wie solche Nanostrukturen in einer chemischen Synthese tatsächlich entstehen.
Einem internationalen Team um Prof. Dr. Dorota Koziej von der Universität Hamburg und dem Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ ist im Rahmen des ERC-Consolidator-Projekts LINCHPIN die Entschlüsselung des bislang verborgenen Entstehungsprozesses gelungen. Dafür kombinierten die Forschenden mehrere Röntgenmethoden an den hochenergetischen Röntgenquellen der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) und des DESY und wendeten insbesondere die so genannten vtc XES-Methode unter realen Reaktionsbedingungen in Lösung und bei höheren Temperaturen an. Ohne die hochbrillanten Röntgenquellen am ESRF wäre das sonst sehr schwache Signal nicht messbar gewesen. Während die Reaktion lief, beobachteten sie simultan die Struktur, den Oxidationszustand des Eisens und die chemische Bindungsumgebung.
Die Messungen zeigen, dass sich das angestrebte Material nicht direkt bildet. Stattdessen entsteht zunächst ein kurzlebiges, schichtartiges Zwischenprodukt aus Eisen-Sulfid. Dieses wächst bevorzugt in zwei Dimensionen und gibt seine Form eines zerknittertes Nanoblatts anschließend an das endgültige Material weiter. In einem sogenannten topotaktischen Umwandlungsschritt reorganisieren sich die Atome im Festkörper, ohne dass diese charakteristische zerknitterte Nanoblattform verloren geht.
„Wir konnten einen sehr guten Überblick über die einzelnen Schritte der Reaktion gewinnen – von der ersten Reduktion der Eisenverbindung bis zur Ausbildung der finalen Eisen-Schwefel-Nanostruktur“, sagt Dr. Cecilia Zito. „Solche detaillierten Einblicke sind nur durch die Kombination mehrerer Analysemethoden an einem Synchrotron unter Einsatz speziell entwickelter Messzellen möglich“, ergänzt Dr. Lars Klemeyer, auf dessen Doktorarbeit die Publikation basiert.
Den Forschungsergebnissen kommt eine Bedeutung zu, die weit über das konkret untersuchte Materialsystem hinausgeht. Sie zeigen, wie sehr Zwischenschritte und Wachstumsdynamik die endgültige Form von Nanomaterialien bestimmen. Die gewonnenen Einsichten sind entscheidend, um Nanostrukturen künftig gezielt zu designen, etwa für effizientere Energiespeicher, Katalysatoren oder funktionale Materialien. Zugleich liefern die Experimente neue Hinweise darauf, wie ähnliche Mineralien auch in der Natur entstanden sein könnten, zum Beispiel in sauerstoffarmen Umgebungen der frühen Erde.
Die Arbeit unterstreicht zudem das Potenzial moderner multimodaler In-situ-Röntgenanalysemethoden, chemische Prozesse auf molekularer und nanoskaliger Ebene im Zeitverlauf zu entschlüsseln – ein Ansatz, der künftig auf viele weitere Materialsysteme übertragen werden kann.
Originalveröffentlichung
Cecilia A. Zito, Lars Klemeyer, Francesco Caddeo, Brian Jessen, Sani Y. Harouna-Mayer, Lise-Marie Lacroix, Malte Langfeldt, Tjark L. R. Gröne, Jagadesh K. Kesavan, Chia-Shuo Hsu, Alexander Schwarz, Ann-Christin Dippel, Fernando Igoa Saldaña, Blanka Detlefs, and Dorota Koziej; In situ X ray Synchrotron Studies Reveal the Nucleation and Topotactic Transformation of Iron Sulfide Nanosheets; J. Am. Chem. Soc. 147, 47409−47420 (2025)
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