Ein internationales Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Universität Hamburg, der Universität Toulouse sowie den Forschungsinstituten DESY und ESRF, hat kürzlich einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis der Bildung von Eisen-Schwefel-Nanostrukturen erzielt. Durch den Einsatz zeitaufgelöster Röntgenmethoden konnten diese Forscher den gesamten Reaktionsprozess der Bildung von Eisen-Schwefel-Nanoblättern in Lösung nachvollziehen. Diese Erkenntnisse wurden in der angesehenen Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society (JACS) veröffentlicht und bieten grundlegende Einsichten in die Entstehung metastabiler Materialien.
Eisen-Schwefel-Verbindungen sind von erheblichem Interesse, sowohl in der Geowissenschaft als auch in der Technologie, insbesondere in der Entwicklung von Energiewerkstoffen. Ein besonders bemerkenswertes Mineral in diesem Kontext ist Greigit (Fe₃S₄), das durch seine einzigartigen magnetischen und elektrischen Eigenschaften besticht. Trotz intensiver Forschungsanstrengungen war lange unklar, wie diese Nanostrukturen genau in einer chemischen Synthese entstehen.
Ein Team unter der Leitung von Prof. Dr. Dorota Koziej von der Universität Hamburg, das Teil des ERC-Consolidator-Projekts LINCHPIN ist, hat nun den bislang unbekannten Entstehungsprozess entschlüsselt. Um dies zu erreichen, kombinierten die Wissenschaftler mehrere Röntgenanalysemethoden in den hochenergetischen Röntgenquellen des ESRF und DESY. Insbesondere wurde die vtc XES-Methode unter realen Reaktionsbedingungen in Lösung und bei erhöhten Temperaturen eingesetzt. Ohne die hochintensiven Röntgenstrahlen des ESRF wäre es nicht möglich gewesen, das ansonsten sehr schwache Signal zu messen.
Während der chemischen Reaktion beobachteten die Forscher simultan die Struktur, den Oxidationszustand des Eisens sowie die chemische Umgebung der Bindungen. Interessanterweise konnten sie feststellen, dass das angestrebte Nanomaterial nicht direkt gebildet wird. Zunächst entsteht ein kurzlebiges, schichtartiges Zwischenprodukt aus Eisen-Sulfid, das sich bevorzugt in zwei Dimensionen entwickelt. Dieses Zwischenprodukt, das die Form eines zerknitterten Nanoblattes annimmt, wird dann in die endgültige Struktur überführt. In einem sogenannten topotaktischen Umwandlungsprozess reorganisieren sich die Atome im festen Zustand, während die charakteristische Form des Nanoblattes beibehalten wird.
Dr. Cecilia Zito, eine der Hauptautoren der Studie, erklärt: „Wir konnten einen umfassenden Überblick über die einzelnen Schritte der Reaktion gewinnen – angefangen bei der ersten Reduktion der Eisenverbindung bis hin zur Ausbildung der endgültigen Eisen-Schwefel-Nanostruktur.“ Dr. Lars Klemeyer, auf dessen Doktorarbeit die Veröffentlichung basiert, fügt hinzu, dass solche detaillierten Einblicke nur durch die Kombination mehrerer Analysemethoden an einem Synchrotron mit speziell entwickelten Messzellen möglich sind.
Die Ergebnisse dieser Forschung haben weitreichende Implikationen, die über das spezifisch untersuchte Materialsystem hinausgehen. Sie belegen, wie wichtig Zwischenschritte und die Dynamik des Wachstums für die endgültige Form von Nanomaterialien sind. Die gewonnenen Erkenntnisse sind entscheidend für die gezielte Entwicklung von Nanostrukturen, die beispielsweise in der Energiespeicherung, Katalyse oder bei funktionalen Materialien Anwendung finden könnten. Darüber hinaus bieten die Experimente neue Hinweise darauf, wie ähnliche Mineralien in der Natur, etwa in den sauerstoffarmen Umgebungen der frühen Erde, entstanden sein könnten.
Die Arbeit der Wissenschaftler demonstriert zudem das Potenzial moderner multimodaler In-situ-Röntgenanalysemethoden zur Aufklärung chemischer Prozesse auf molekularer und nanoskaliger Ebene im zeitlichen Verlauf. Dieser methodische Ansatz könnte zukünftig auf viele weitere Materialsysteme angewendet werden, was die Möglichkeiten der Materialforschung erheblich erweitert.
