Details im Material Die Dunkelfeldmikroskopie lässt feinste Strukturen sichtbar werden

Anbieter zum Thema

Helmholtz-Zentrum Hereon

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Bicker Elektronik GmbH

Hochleistungsmaterialien benötigen perfekte Feinstrukturen, damit beispielsweise der Strom beim Einsatz in der Brennstoffzelle ungestört fließen kann. Feinste Strukturen können mit der Dunkelfeldmikroskopie untersucht werden.

Kleinste Schäden im Nanometerbereich werden jetzt sichtbar: Risse, Einschlüsse oder andere Defekte, die nur wenige Nanometer groß sind, können erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen oder elektrischen Eigenschaften von Materialien haben. Zum Vergleich: Ein Nanometer (nm) entspricht einem Milliardstel Meter (10⁻⁹ Meter), was etwa der Größe eines einzelnen Moleküls oder Atoms entspricht.

Schäden können zum Beispiel entstehen, wenn Metallteile miteinander verschweißt werden. Dann muss man wissen, ob die Schweißnaht in Ordnung ist - oder ob sich im Inneren kleine Risse oder Poren gebildet haben, die zu Schäden führen können. Hochleistungsmaterialien für die Elektroden von Elektroautobatterien oder für Brennstoffzellen wiederum müssen perfekte Feinstrukturen aufweisen, damit der Strom ungestört fließen kann.

Sehr kleine oder wenig dichte Strukturen erkennen

Mit der Weiterentwicklung der Röntgenmikrokopie lassen sich solche Defekte frühzeitig entdecken und analysieren. Erst mit der Untersuchung von Materialstrukturen im Nanometerbereich können Forscher und Entwickler die atomare und molekulare Zusammensetzung und Anordnung besser verstehen. Bei herkömmlichen Röntgenbildern werden Strukturen durch die Abschwächung von Röntgenstrahlen sichtbar. Das reicht jedoch oft nicht aus, um sehr kleine oder wenig dichte Strukturen zu erkennen.

Forschern des Helmholtz-Zentrums Heron Sami Wirtensohn und Dr. Silja Flenner aus der Gruppe von Dr. Imke Greving ist es nun gelungen, solche kleinen Strukturen im Nanometerbereich mit einer neuen Methode sichtbar zu machen. Anders als bei einem gewöhnlichen Röntgenbild nutzen sie nicht das abgeschwächte Licht selbst, sondern das vom durchleuchteten Objekt gestreute Licht, das in verschiedene Richtungen abgelenkt wird.

„Strukturen von Nanometerdimension wie zum Beispiel winzige Risse streuen das Licht – und diese Streuung kann man sehen“, erläutert Sami Wirtensohn, Erstautor der Studie. So werden Details und Strukturen sichtbar, die normalerweise nicht oder nur schwer zu erkennen sind. Das Besondere: „Mit der Technik werden jetzt sogar Strukturen unterhalb des Auflösungsvermögens des Röntgenmikroskops sichtbar" erläutert Silja Flenner, Initiatorin des Projektes.

Das Dunkelfeldbild und besser sichtbare Nanostrukturen

Bei dem neuen Ansatz mussten die Forscher das abgeschwächte Licht des Gegenstands gewissermaßen unterdrücken, damit das Streuungsbild überhaupt sichtbar wird. In der Röntgenmikroskopie nutzen sie daher Optiken, die das Röntgenlicht so verändern, dass die Strahlen in einem bekannten Muster verlaufen.

Mit dem Einbau einer Blende können diese Röntgenlichtstrahlen dann blockiert werden. Das Streulicht dagegen ändert beim Durchdringen der Probe seine Richtung und kann daher die Blenden passieren. Hieraus ergibt sich das sogenannte Dunkelfeldbild, erstmals mit Nanometer Auflösung. „Damit erhalten wir jetzt eine Aufnahme, in der die Nanostrukturen durch die Streuung sehr gut sichtbar werden“, sagt Sami Wirtensohn.

Für die Materialforschung ist das ein Gewinn mit geringem Aufwand. „Erstmals steht nun eine praxistaugliche Methode für Dunkelfeld Bildgebung zur Verfügung, da sie einfach im Röntgenmikroskop umzusetzen ist“, sagt Imke Greving, Leiterin des Teams der Röntgenmikroskopie an der Hereon-Bildgebungsstrahllinie P05 am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY). Derartige Röntgenmikroskope werden an großen Synchrotron-Anlagen, sogenannten Teilchenbeschleunigern betrieben, von denen es weltweit nur einige Dutzend gibt. Diese könnten nun einfach mit einer Blende nachgerüstet werden, um Dunkelfeld Mikroskopie zu ermöglichen. (heh)

Kamerabasierte Prozessoptimierung

Hochgeschwindigkeits-Industriekameras optimieren additive Fertigung

Elektrische Rekorde der Natur

Neue bionische Werkstoffe nach Vorbild des Kraken

(ID:50072272)