Tropfen von einem Billionstel eines Milliardstel Liters produziert die Pipette von Eli und Peter Sutter von Brookhaven National Laboratory. Beim Kühlen verhielten sich die Tropfen nicht wie von der Theorie vorhergesagt, sondern bildeten wechselnde Facetten aus, ehe sie gefroren.
Nanopipette | An der Spitze aus Germanium-Draht befindet sich ein Zeptoliter großer Einschluss einer Germanium-Gold-Legierung.
Die Zeptoliter-Pipette besteht aus einem Germanium-Schaft, an dessen Spitze bei über 350 Grad Celsius eine flüssige Germanium-Gold- Legierung von einer Kohlenstoff-Hülle eingeschlossen wird. Schießt man mit einem Elektronenstrahl ein Loch in die Hülle, entweicht ein winziger Tropfen von einigen zehntausend Atomen – etwa einem Tausendstel der bisher feinsten kontrollierbaren Dosierung – und hängt danach frei an der Pipettenspitze.
In dieser Größenordnung verhalten sich Flüssigkeiten nicht wie im makroskopischen Bereich, gleichzeitig ist die Zahl der Atome jedoch zu hoch für realitätsnahe Simulationen. Da der Tropfen an der Pipettenspitze zusätzlich ohne störende Auflagefläche auskommt, bieten sich viele neue experimentelle Möglichkeiten in einem weit gehend unerforschten Bereich.
Spitze der Nanopipette | Das Germanium-Gold-Gemisch wird von einer Kohlenstoff-Hülle an der Spitze der Pipette eingeschlossen. Wird mit einem Elektronenstrahl ein Loch in diese Hülle gebohrt, tritt die Legierung aus.
Die Sutters nutzten dies, um den Gefrierprozess der Legierung zu untersuchen. Bei etwa 305 Grad Celsius trat ein überraschender Effekt auf: Noch bevor das Metallgemisch kristallisierte, bildeten sich wechselnde, ebene Flächen an der sonst kugelförmigen Oberfläche des Tropfens. Reduzierten die Forscher die Temperatur weiter, gefror die Flüssigkeit schließlich entlang des zuletzt sichtbaren Ebene. Die Kristallisation setzte also vom Rand her ein, nicht wie bisher vermutet von innen.
Gewöhnlich dienen Verunreinigungen als Kristallisationskeime. Von ihnen ausgehend wächst der Kristall, bis die Flüssigkeit komplett durchgefroren ist. Bisher nahm man an, dass reine Flüssigkeiten ebenso – wenn auch erst bei sehr viel niedrigeren Temperaturen – von innen heraus gefrieren. Die neuen experimentellen Ergebnisse stellen diese Theorie in Frage. Dabei ist nicht nur für die Nanotechnologie wichtig zu verstehen, wie kleine Mengen verschiedener Flüssigkeiten gefrieren: Ob, wann und wie Wassertröpfchen zu Eis werden, interessiert auch beispielsweise Klimaforscher, wenn sie versuchen, Wolkenbildung und Niederschläge zu berechnen. (jpb)
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