REM, TEM, STEM – die Elektronenmikroskopie Ernst Ruska und Max Knoll: Erfinder des Elektronenmikroskops

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Auf einer Suche nach Mitteln und Wegen, um ultrastrukturelle Details von Zellen, Geweben und Materialien mit hoher Auflösung zu untersuchen, schufen Ingenieur Ernst Ruska und Techniker Max Knoll das Elektronenmikroskop. Wir werfen einen Blick auf ihren Werdegang und ihr Werk.

Mit einem Blick auf das Leben von zwei Persönlichkeiten der Elektrotechnik beschäftigen wir uns dieses Mal mit den beiden Hauptverantwortlichen für die Entwicklung des Elektronenmikroskops, dessen erste praxistaugliche Fertigstellung auf das Jahr 1931 festgelegt werden kann. Es geht um den Elektroingenieur Ernst Ruska und den Elektrotechniker Max Knoll. Ruska wurde 1986 für seine Entwicklung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Diese Ehre wäre wahrscheinlich auch Max Knoll zuteilgeworden – allerdings lebte er zu diesem Zeitpunkt schon seit über 15 Jahren nicht mehr, und der Nobelpreis wird (mit wenigen Ausnahmen) nicht posthum vergeben.

Wir bleiben zuerst bei Max Knoll, der am 17. Juli 1897 in Schlangenbach nahe Wiesbaden zur Welt kam. Seine Schulzeit und sein Studium absolvierte er in München. An der TH (Technischen Hochschule) in Berlin promovierte er im Bereich der Hochspannungstechnik, wo er 1925 für zwei Jahre ein Labor im Akustikbereich leitete. 1927 begann er als Leiter einer Arbeitsgruppe für Elektronenforschung in diesem Bereich intensiv zu forschen. Hier lernte er auch Ernst Ruska kennen, der einer seiner Mitarbeiter war.

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Max Knoll – sein Leben im Überblick

Neben dem Elektronenmikroskop, zu dem wir später noch kommen werden, war Max Knoll an der Entwicklung von Fernsehröhren beteiligt. Hierzu leitete er bei Firma Telefunken ab dem Jahr 1932 eine entsprechende Abteilung, wobei er parallel dazu als Privatdozent an der TH Berlin lehrte. Beide Tätigkeiten übte er bis zum Ende des Zweiten Weltkriegs aus und ging dann nach einer kurzen Phase an der TU München im Jahr 1948 für acht Jahre in die USA. An der Princeton University nahm eine Professur im Bereich der Elektrotechnik und Elektronenoptik wahr.

Nach seiner Rückkehr nach Deutschland im Jahr 1956 wurde Knoll Leiter des Instituts für Elektronik an der TU München, das damals neu gegründet worden war. In den Ruhestand ging Max Knoll im Jahr 1966; bereits drei Jahre später, am 6. November 1969, verstarb er schließlich in München. Er erhielt vor seinem Tod unter anderem 1965 die Ehrendoktorwürde an der Universität Tübingen sowie 1967 die Ehrenmitgliedschaft der Deutschen Gesellschaft für Elektronenmikroskopie.

Ernst Ruska – von der Kindheit bis zur Promotion

Die wohl wegen des Nobelpreises bekanntere Persönlichkeit aus dem Duo, das das Elektronenmikroskop entwickelte, war Ernst Ruska, der über neun Jahre nach Max Knoll, genauer gesagt am 25. Dezember 1906 in Heidelberg geboren wurde. Nachdem er sein Abitur in Heidelberg abgelegt hatte, begann Ruska im Jahr 1925 sein Studium der Elektrotechnik an der TU München. Im Jahr 1927 wechselte er dann an die TH Berlin, wo er – wie wir schon zuvor anmerkten – Max Knoll kennenlernte und einer seiner Mitarbeiter im Bereich der Elektronenforschung wurde.

1933 promovierte Ernst Ruska an der TH Berlin mit einem Thema, das im Zusammenhang mit dem zu dem Zeitpunkt bereits fertig entwickelten Elektronenmikroskop stand. Es ging bei der Promotion um ein spezielles magnetisches Objektiv für das Elektronenmikroskop.

Ruskas Weiterentwicklung mit Bodo von Borries

Im Gegensatz zu Knoll blieb Ruska zunächst nicht der TH Berlin verbunden, sondern wechselte in die Entwicklung bei der Berliner Fernseh AG. Dort leitete er ab 1937 zusammen mit Bodo von Borries, einem 1905 in Herford geborenen Physiker und Elektrotechniker, für die Siemens & Halske AG in Berlin die industrielle Fertigung von Elektronenmikroskopen ein. Auch Bodo von Borries war bereits bei der Entwicklung des Elektronenmikroskops als Assistent von Max Knoll mit dabei. Zusammen mit Ruska hatte von Borries ab 1931 an einer praktischeren Variante des Elektronenmikroskops gearbeitet, das damals noch Übermikroskop genannt wurde. Die Arbeit bei Siemens & Halske ab dem Jahr 1937 ermöglichte es Ruska und von Borries schließlich, dies auch auf industriell hohem Niveau umzusetzen.

Die beiden waren freundschaftlich eng verbunden – Bodo von Borries heirate eine Schwester von Ernst Ruska. Kurz vor Ende des Zweiten Weltkriegs habilitierte Ruska im Jahr 1944 an der TH Berlin und wurde nach Kriegsende mit dem Wiederaufbau eines Labors für Elektrooptik bei Siemens & Halske beauftragt. 1949 wurde er bei der Max-Planck-Gesellschaft Leiter der Abteilung für Elektronenmikroskope im Fritz-Haber-Institut in Berlin.

Ruska wurde parallel dazu zum wissenschaftlichen Mitglied der Max-Planck-Gesellschaft sowie zum Professor an der Freien Universität Berlin berufen. Ab 1959 hielt er noch zusätzlich Vorlesungen an der TU Berlin ab und kehrte somit nach über 20 Jahren zumindest für diese Teilzeitaufgabe wieder an das Institut zurück.

Ruskas Lebensende und viele Ehrungen

Ernst Ruska wurde vielfach geehrt und ausgezeichnet. Der Höhepunkt war dabei der Nobelpreis im Jahr 1986 für die Erfindung des Elektronenmikroskops, wobei er sich den Preis zusammen mit den Erfindern des Rastertunnelmikroskops, dem Deutschen Gerd Binning und dem Schweizer Heinrich Rohrer, teilte. Weitere Auszeichnungen waren unter anderem das Große Verdienstkreuz der Bundesrepublik Deutschland in der normalen Variante (1966) sowie in der Variante mit Stern und Schulterband (1987), die Wissenschafts-Medaillen Cothenius (1975), Albert-von-Graefe (1983) und Robert-Koch (1985) sowie die Mitgliedschaft bei der Wissenschaftsvereinigung Leopoldina.

Ernst Ruska verstarb schließlich im Alter von 81 Jahren am 27. Mai 1988 in Berlin, wo sein Grab auf dem Waldfriedhof in Berlin-Zehlendorf den Status als Ehrengrab hat. Posthum wurde er unter anderem dadurch geehrt, dass 2005 die Gebäude der Physikalischen Institute an der TU Berlin nach ihm benannt wurden. In Jülich gibt es zudem seit 2006 das Ernst-Ruska-Zentrum mit ultrahochauflösenden Elektronenmikroskopen, und der Ernst-Ruska-Ring ist seit 2008 eine Zugangsstraße zu einem Forschungsstandort in Jena.

Das Elektronenmikroskop: Grundprinzipien

Nachdem wir nun die Lebensläufe von Max Knoll und Ernst Ruska erläutert haben, wollen wir uns noch ihrer engen Zusammenarbeit am Elektronenmikroskop widmen. Um das zu vergrößernde Objekt abzubilden, schießt eine Elektronenkanone im oberen Bereich der Apparatur Elektronen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Objekt.

Im Falle des ersten Elektronenmikroskops werden die Elektronen, die das Objekt durchdringen, erfasst, um eine Abbildung zu erstellen, wobei Ruska und Knoll als Testobjekt filigrane Metallgitter nutzten. Um das Objekt zu durchdringen, muss es sehr dünn sein. Später entwickelte Varianten arbeiten hingegen mit reflektierten Elektronen; dazu kommen wir gleich noch.

Der Vorteil im Vergleich zu Mikroskopen mit normalem Licht ist die Tatsache, dass stark beschleunigte Elektronen respektive die dabei entstehende Materiewelle eine deutlich kürzere Wellenlänge als normales Licht besitzt, was eine höhere Auflösung und stärkere Vergrößerung zulässt. Die Wellenlänge der Lichtmikroskopie ist (mit Ausnahme der erst in den 1990er-Jahren erfolgreich angewendeten, sehr aufwendigen STED-Mikroskopie) auf etwa 200 Nanometer beschränkt. Mit der Elektronenmikroskopie sind aber inzwischen unter 1 Nanometer möglich. Da man für die Analyse Elektronen erfasst und nicht etwa Lichtwellen, gibt es keine Farbdarstellung bei der Elektronenmikroskopie. Die angezeigten Bilder stellen das Objekt daher in Schwarz-Weiß beziehungsweise Graustufen dar. Zur verständlicheren Darstellung dessen, was man sieht, werden häufig zumindest Teile der Bilder nachträglich eingefärbt.

Zwei wichtige Elektronenmikroskop-Arten

Speziell bei dem Elektronenmikroskop von Ruska und Knoll handelte es sich um ein Transmissionselektronenmikroskop, kurz auch TEM. Diese Art von Elektronenmikroskop basiert auf dem Durchdringen von sehr dünnen Objekten durch Elektronen. Die Grundlagen für das TEM von Ruska und Knoll legte der deutsche Physiker Hans Busch (1884 bis 1973), der unter anderem die Elektronenlinse entwickelte, die mit in einem Vakuum mithilfe eines Magnetfeldes als Linse für die erfassten Elektronen fungiert. Mit einem TEM lassen sich etwa unterschiedliche Schichten einer Probe genau untersuchen.

Eine Weiterentwicklung des TEM war das STEM, was für „Scanning Transmission Electron Microscope“ steht, auf Deutsch also Rastertransmissionselektronenmikroskop. Das erste STEM wurde von Manfred von Ardenne, der als Vater der Fernsehtechnik gilt, im Jahr 1937 entwickelt. Das STEM tastet das Objekt nach einem Raster ab, genau wie die später entwickelten reinen Rasterelektronenmikroskope (REM). Allerdings durchdringen bei einem STEM die Elektronen weiterhin das Objekt, sodass es wie ein TEM nur für sehr dünne Proben geeignet ist.

Bei einem REM wird das Objekt zwar ebenfalls mit gebündelten Elektronenstrahlen abgetastet, aber detektiert werden die reflektierten Elektronen oder neu auftretende sekundäre Elektronen. Die Detektion bestimmt die Lichtstärke der auf dem Bildschirm dargestellten Einzelpunkte, sodass ein Gesamtbild entsteht. Die REM eignen sich daher auch für dickere Objekte und eine dreidimensional wirkende Abbildung. Da man je nach Forschungsziel mal eine äußerliche, dreidimensionale Darstellung, mal aber eine ins Innere blickende Schichtdarstellung benötigt, werden TEM auf Basis der Arbeit von Ruska und Knoll basieren, auch heute noch immer parallel zu REM genutzt.

Mit Vergrößerungen von einem Faktor von bis zu etwa 500.000 sorgte die Entwicklung von Ruska und Knoll für vollkommen neue Möglichkeiten, primär in den Bereichen der Chemie, Biologie und Medizin. Auch bei der modernen Chipentwicklung und -produktion, bei der die Abstände zwischen zwei Transistoren zueinander inzwischen weniger als fünf Nanometer betragen können, spielt diese Bilddarstellung eine wichtige Rolle. (sb)

Elektronenmikroskopie, Plasmaphysik

Wie Manfred von Ardenne dem Fernsehen den Weg zum Massenmedium ebnete

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