Ionenspur: was sie ist und warum sie Forschende interessiert
Eine Ionenspur ist ein dünner Kanal mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, der nach dem Durchgang eines einzelnen Ions in einem Festkörper zurückbleibt. Dieser kleine Bereich veränderten Materials dient Forschenden als Ausgangspunkt für Filter, Sensoren und Schablonen für Nanostrukturen. Dabei stellt sich die Frage, wie eine solche Spur entsteht und welche Materialien sich dafür eignen.
Was ist eine Ionenspur?
Beim Durchqueren eines Festkörpers gibt ein Ion fortlaufend Energie ab. Die pro Wegstrecke abgegebene Energie wird als Energieverlust bezeichnet. Bei schnellen, schweren Ionen überwiegt die Wechselwirkung mit den Elektronen des Materials gegenüber der Wechselwirkung mit den Atomkernen. Überschreitet der Energieverlust einen materialabhängigen Schwellenwert, entsteht eine Ionenspur. Unterhalb dieses Werts durchquert das Ion das Material, ohne dessen Struktur dauerhaft zu verändern.
Während der Durchmesser der Spur wenige Nanometer beträgt, hängt ihre Länge von der Energie des Ions und vom Material ab. Das Ion hinterlässt im Festkörper also einen schmalen Bereich mit veränderter Struktur, der im Verhältnis zu seinem Durchmesser sehr lang ist und sich anschließend praktisch nutzen lässt.
Welche Materialien eignen sich für Spuren?
Am besten untersucht sind Polymerfolien, einige Gläser, Glimmer und wenige Kristalle. Jedes dieser Materialien hat einen eigenen Schwellenwert für den Energieverlust. Die Wahl der Ionen und ihrer Energie richtet sich deshalb nach dem Material, das im jeweiligen Experiment bestrahlt wird. Die Bestrahlung erfolgt mit Teilchenbeschleunigern. Über die Bestrahlungszeit und den Strahlstrom lässt sich die Dichte der Spuren einstellen, sodass sowohl einzelne als auch sehr dicht verteilte Spuren erzeugt werden können.
Von der Spur zur Pore: die Rolle des Ätzens
Das Material entlang der Spur ist chemisch reaktiver als seine Umgebung. Eine Ätzlösung trägt es daher schneller ab, sodass aus der Spur eine Pore entsteht. Diese kann zylindrisch, kegelförmig oder doppelkonisch sein. Ihre Form hängt von der Art und Konzentration des Ätzmittels, der Temperatur, der Ätzdauer und den Zusätzen in der Lösung ab.
Die Poren einer Folie haben einen ähnlichen Durchmesser, weil jede Spur durch denselben physikalischen Vorgang entstanden ist. Diese Gleichmäßigkeit zählt zu den wichtigsten Gründen für die intensive Erforschung von Ionenspuren.
Warum das Thema Forschende interessiert
Die Anwendungen sind vielfältig und reichen von der Filtration über die Sensorik mit einzelnen Nanoporen und Detektoren für Teilchenspuren bis zur Geologie, in der Spaltspuren in Mineralen ausgewertet werden. Eine eigene Gruppe bilden Schablonen für Nanostrukturen.
Beim Schablonenverfahren wird eine Seite der Membran mit einer leitfähigen Schicht überzogen. Anschließend wird in den Poren galvanisch ein Metall abgeschieden. Nach dem Auflösen des Polymers bleiben Drähte, Röhrchen oder Kegel zurück. Ihre Form ergibt sich unmittelbar aus der Porenform und damit aus den Ätzparametern.
Die Ionenspur verbindet somit eine einfache Idee mit großen Einsatzmöglichkeiten: Ein Ion erzeugt eine Spur, die durch chemische Behandlung zu einer Pore mit kontrollierter Form wird. Für die Forschung entsteht daraus ein Werkzeug, mit dem sich Strukturen im Nanometermaßstab gezielt entwerfen lassen.