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Einzigartige Einblicke in die Nanowelt

Mit den besten Elektronenmikroskopen unserer Zeit im Ernst Ruska-Centrum (ER-C) können Forscher die Anordnung von Atomen in einem Material abbilden und sehr detailliert untersuchen. Das ist für den Fortschritt in der Materialwissenschaft und der Nanotechnologie entscheidend, denn das Zusammenspiel der Atome bestimmt die Eigenschaften von Werkstoffen und Bauelementen. Das ER-C, das vom Forschungszentrum Jülich und von der RWTH Aachen gemeinsam betrieben wird, hat nun seinen Gerätepark um ein europaweit einzigartiges Höchstleistungsmikroskop ergänzt: PICO korrigiert neben der sphärischen Aberration noch einen weiteren Linsenfehler – die chromatische Aberration – und erreicht so eine Rekordauflösung von 50 milliardstel Millimetern.

Ein kleines Gedankenexperiment macht deutlich, in welche winzige Dimension Wissenschaftler mit den modernsten Elektronenmikroskopen vordringen: Um die Atome in einem Haar – Durchmesser: rund 1/20 Millimeter – sichtbar zu machen, müsste man seine Querschnittsfläche zunächst auf die Maße eines Fußballfeldes vergrößern. Die Dicke der Grashalme des Feldes entspricht dann dem Durchmesser der Atome, die es einzeln zu erkennen gilt. Nach der Erfindung der Elektronenmikroskopie in den 1930er Jahren gelang es jahrzehntelang nicht, Atome sichtbar zu machen. Wesentliche Ursache dafür waren zwei Linsenfehler, die sich nicht korrigieren ließen. „Wobei man wissen muss, dass in Elektronenmikroskopen keine Glaslinsen wie in Lichtmikroskopen zum Einsatz kommen, sondern magnetische Felder die Funktion der Linsen übernehmen“, erläutert Dr. Karsten Tillmann, Geschäftsführer des ER-C und Wissenschaftler am Peter Grünberg Institut 5 des Forschungszentrums Jülich. Erst in den 1990er Jahren erfanden Forscher der Technischen Universität Darmstadt, vom Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium in Heidelberg und vom Forschungszentrum Jülich den sogenannten Hexapol-Korrektor, der einen der Linsenfehler beheben konnte. Seine Schlüsselelemente sind zwei Bauteile, in denen sechs (griechisch: hexa) Magnetspulen die zentrale Öffnung für den Elektronenstrahl umgeben. "Ausgestattet mit diesem Korrektor, konnte ein Elektronenmikroskop, das zunächst in Heidelberg und später in Jülich beheimatet war, erstmals die atomare Struktur von Materialien sichtbar machen", so Tillmann. Ab 2004 boten dann nach und nach alle führenden Elektronenoptik-Unternehmen Geräte mit Korrektor für die sphärische Aberration an. Sie erreichen ein Auflösungsvermögen von 80 Pikometern (1 Pikometer = 1 milliardstel Millimeter). Das Auflösungsvermögen ist ein Maß dafür, wie weit Punkte beispielsweise in einem Präparat voneinander entfernt sein dürfen, um noch getrennt voneinander abgebildet zu werden.

Auflösung: 50 Pikometer

Seit wenigen Monaten verfügt das ER-C neben drei Elektronenmikroskopen mit Hexapol-Korrektor zusätzlich über ein Gerät namens PICO, das auch den zweiten Linsenfehler – die chromatische Aberration – korrigieren kann. Es ist das einzige seiner Art in Europa und erreicht eine Auflösung von 50 Pikometern. "Das höhere Auflösungsvermögen wird sich besonders bemerkbar machen, wenn wir nur verhältnismäßig gering beschleunigte Elektronen einsetzen können. Dies ist unter anderem bei weichen oder biologischen Materialien der Fall, die häufig strahlungsempfindlich sind", sagt Prof. Rafal Dunin-Borkowski, einer der beiden Direktoren des ER-C und zugleich Leiter des Peter Grünberg Instituts 5 am Forschungszentrum Jülich. Zusätzlich zur Auflösung verbessert sich die Genauigkeit, mit der sich Atomabstände und Atomverschiebungen messen lassen, von fünf Pikometern auf lediglich einen Pikometer. Auch wenn Verbesserungen im Bereich von einem milliardstel Millimeter winzig erscheinen mögen, so sind Atomverschiebungen in dieser Dimension doch wesentlich für die elektrischen, optischen und sonstigen Eigenschaften von Materialien. "Solch kleinste Lageveränderungen von Atomen bestimmen etwa die Eigenschaften moderner Transistoren", sagt Dunin-Borkowski. Ferroelektrische Datenspeicher, wie man sie in Chipkarten oder auch in manchen elektronischen Autoschlüsseln findet, sind ein weiteres Beispiel: Wenn dort Informationen eingeschrieben werden, verschiebt sich die Position der Sauerstoffionen im Material gegenüber ihren Nachbaratomen um rund 20 Pikometer. Auch die Wirkung von Katalysatoren, die bei rund 70 Prozent aller Herstellungsverfahren in der chemischen Industrie im Einsatz sind, beruht häufig auf kleinsten Positionsveränderungen der Atome nahe der Katalysatoroberfläche. "Wir erforschen mit Hilfe der Elektronenmikroskope beispielsweise Materialien für CO2-freie Kraftwerke oder für leistungsfähigere Datenspeicher", sagt Prof. Joachim Mayer, der zweite Direktor des ER-C. Der Physiker von der RWTH Aachen weiter: "Mithin setzen wir die Geräte ein, um globale Herausforderungen wie eine energieeffiziente Informationstechnologie oder eine klimafreundliche Energieversorgung anzugehen."

Membranen gegen Erderwärmung

So gehören Wissenschaftler des ER-C einem Forschungsverbund der Jülich Aachen Research Alliance JARA mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und industriellen Partnern an, der Membranen zur Gastrennung entwickelt. Mit solchen Membranen soll der Kohlendioxid( CO2)-Ausstoß von Kohle- und Gaskraftwerken verringert werden, der erheblich zur globalen Klimaerwärmung beiträgt. Beim scheinbar einfachsten der denkbaren Konzepte würden die Abgase aus der Kohle- oder Gasverbrennung über eine CO2-durchlässige Membran geschickt, die das Treibhausgas gewissermaßen aussiebt. Es könnte danach unterirdisch gespeichert werden. Tatsächlich gibt es bereits Kohlekraftwerke, bei denen CO2 nach prinzipiell ähnlichem Muster mittels Laugen ausgewaschen wird. Aber die Technik ist komplex, benötigt so viel Platz wie ein Fußballfeld und mindert den Wirkungsgrad des Kraftwerks um mehr als zehn Prozentpunkte. "Zwei andere prinzipiell mögliche Verfahren haben ein höheres Potenzial, CO2 einzusparen. Für sie benötigt man Membranen, die Sauerstoff aus der Luft abtrennen", erläutert Dr. Stefan Roitsch, Wissenschaftler am ER-C. Auf der Suche nach den effizientesten Membranen stellen die kooperierenden Wissenschaftler auf unterschiedliche Weise zahlreiche Materialien her. Anschließend testen sie, wie gut und wie lange sie bei den Bedingungen funktionieren, die in einem Kraftwerk herrschen. Dank der Forscher und der Elektronenmikroskope des ER-C tappen sie nicht im Dunkeln, wenn sie nach den Ursachen für die unterschiedliche Leistungsfähigkeit der Materialien suchen. Denn diese wird letztlich durch die Anordnung der Atome bestimmt, die im Elektronenmikroskop sichtbar wird. So haben die Forscher des ER-C Proben eines Materials mit dem Namenskürzel BSCF untersucht, das prinzipiell geeignet erscheint, um Sauerstoff und Stickstoff bei 700 bis 900 Grad Celsius voneinander zu trennen.

Energiesparende Datenspeicher

"Dabei haben wir festgestellt, dass sich bei diesen Temperaturen nach mehreren Hundert Stunden Bereiche bilden, in denen die Atome anders als ursprünglich angeordnet sind – mit negativen Folgen für die Sauerstoffleitfähigkeit des Materials", sagt Roitsch. Dadurch haben die Forscher nun einen Ansatzpunkt, um das potenzielle Membranmaterial weiter zu verbessern: Sie müssen beispielsweise durch chemische Zusätze verhindern, dass sich die Atome umordnen. Ein anderes Arbeitsgebiet der Wissenschaftler des ER-C sind Materialien für die Informationstechnologie, die längst unseren Alltag und die Produktivität von Industrie- und Dienstleistungsunternehmen bestimmt. Auch weiterhin sollen nicht nur die Prozessoren ständig kleiner, leistungsfähiger und energieeffizienter werden, sondern außerdem die Datenspeicher. Besonders bei der Erforschung von ferroelektrischen Materialien, in denen Daten anders als in heutigen Computer- Arbeitsspeichern auch nach dem Ausschalten des Rechners erhalten bleiben, haben die Wissenschaftler des ER-C rund um den ehemaligen Direktor des ER-C und heutigen JARA Senior Professor Knut Urban viele Erkenntnisse gewonnen, die in der Fachwelt für Aufsehen gesorgt haben. Heutige Computer-Festplatten beruhen auf magnetischen Materialien. Rafal Dunin-Borkowski, Urbans Nachfolger im Amt des Direktors, treibt seit Jahren die sogenannte Elektronenholografie zur Untersuchung magnetischer Materialien voran und hat das entsprechende Knowhow mit an das ER-C gebracht. Er sagt: "Mit speziell ausgerüsteten Höchstleistungselektronenmikroskopen und bestimmten Aufnahme- und Auswertetechniken lassen sich die magnetischen Felder mit einer Auflösung von wenigen Nanometern sichtbar machen – eine Auflösung, die von keiner anderen Methode erreicht wird." Auf diese Weise ist er bereits auf Strukturen in magnetischen Materialien gestoßen, die kleiner sind als entsprechende Speichereinheiten heutiger Datenspeicher.


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