Ein Mann mit einer Schutzbrille blickt in eine metallische Kammer, die mit Messgeräten gefüllt ist.

Röntgenmikroskop mit weltbester Auflösung

Verbundforschung gefördert durch das BMBF
Nanoskop: In-situ-Röntgenmikroskopie mit höchster Ortsauflösung

Seit 2007 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die Entwicklung neuer Röntgenmikroskopiemethoden durch die TU Dresden. Am Experimentierplatz P06 der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg wurde ein Röntgenrastermikroskop aufgebaut. Von 2007 bis 2010 wurde diese Forschung unter dem Förderkennzeichen 05KS7OD1 mit 974 920 € gefördert.

Seit 2010 ist das Karlsruher Institut für Technologie an der Entwicklung beteiligt. Gemeinsam mit der TU  Dresden entwickeln die Forscher das Röntgenrastermikroskop weiter und konstruieren spezielle Reaktionszellen, in denen chemische Reaktionen verfolgt werden können. Im Rahmen des Projekts wurden mit den entwickelten Instrumenten bereits Untersuchungen an chemischen Katalysatoren vorgenommen und die Messplattform an der PETRA-III-Strahlungsquelle Forschern aus aller Welt zur Verfügung gestellt. Von 2010 bis 2013 wurde diese Forschung als Verbundprojekt „Rasterröntgenmikroskop“ unter den Förderkennzeichen 05K10OD1, 05K10OD2 und 05K10VK1 mit insgesamt 1 103 243 € gefördert.

In der laufenden Förderperiode von 2013 bis 2016 wird die Weiterentwicklung der Instrumente und Messmethoden durch die TU Dresden und das Karlsruher Institut für Technologie als Verbundprojekt „Nanoskop: In-situ-Röntgenmikroskopie mit höchster Ortsauflösung“ unter den Förderkennzeichen 05K13OD4 und 05K13VK2 mit 1 350 848 € gefördert. Die Auflösung des Mikroskops soll in diesem Projekt auf zehn Nanometer oder weniger verbessert werden.

Die Gesamtsumme der Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung in den Jahren 2007 bis 2016 beträgt damit 3 429 011 €.

Fördersumme: 1 350 848 €

Förderzeitraum: 2013 bis 2016

Förderkennzeichen: 05K13OD4, 05K13VK2

Beteiligte Institutionen: TU Dresden, Karlsruher Institut für Technologie

Ein Röntgenmikroskop mit einer Auflösung im Nanometerbereich ist in nur wenigen Jahren an der Röntgenstrahlungsquelle PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg entstanden. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert die Zusammenarbeit der TU Dresden und des Karlsruher Instituts für Technologie an dem Instrument, das ständig weiterentwickelt wird und künftig Auflösungen von zehn Nanometern und weniger erreichen soll. Schon jetzt hat das „Nanoskop“ neue Einblicke in die bildgebende Röntgentechnologie, die Chemie von Katalysatoren und sogar die Kunstgeschichte ermöglicht.

Obere Bildhälfte: Schema des Aufbaus des Röntgenmikroskops. Links ein fahrbarer Tisch, auf dem zahlreiche Messapparaturen sitzen. Rechts ein großer Granitblock, auf dem ein Scanner und weitere Messgeräte liegen. Entlang des Blocks und des Tisches verläuft die optische Achse.
Untere Bildhälfte: Ein Foto des Aufbaus in einem engen Labor.
Aufbau des Röntgenmikroskops

Wie klein etwas sein darf, um gerade noch in einem Mikroskop erkennbar zu sein, ist von der Wellenlänge des Lichts abhängig, welches durch das Instrument läuft. Um Strukturen von weniger als einigen Hundert Nanometern Größe aufzulösen, müssen Alternativen zu Mikroskopen gefunden werden, die sichtbares Licht durch Linsen leiten. Röntgenstrahlung hat eine weitaus kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht. Sie eignet sich deshalb für Untersuchungen im Bereich von einigen Nanometern.

Röntgenstrahlung kann darüber hinaus viele Materialien durchdringen und so auch Informationen über das Innere einer Probe liefern. Ähnlich wie Licht durch ein Blatt Papier scheint und so seine Beschaffenheit offenbart, kann Röntgenstrahlung sogar Metalle durchdringen. Für die Materialforschung ist diese sogenannte zerstörungsfreie Untersuchung besonders nützlich.

Da Röntgenstrahlung nicht sichtbar ist, müssen spezielle Kameras und Instrumente das Bild auswerten, das von einer Probe entsteht, die mit Röntgenstrahlung durchleuchtet wird. Dabei wird auch die Röntgenstrahlung selbst genau untersucht: Selbst ihre Polarisierung, also die Schwingrichtung der elektromagnetischen Wellen, kann Informationen über die untersuchte Probe enthalten. Auch Effekte wie Fluoreszenz, die in der Probe angeregt wird, werden ausgewertet.

Ein zweigeteiltes Bild: Links eine verschwommene Aufnahme eines Sterns aus radialen Linien und kleinen Strukturen. Rechts eine Aufnahme des gleichen Bereiches, die deutlich schärfer ist. Eine Skala gibt das Ausmaß der Aufnahme zu 2 mal 2 Mikrometern an.
Aufnahme eines Testmusters durch Röntgenfluoreszenz (links) und Ptychografie (rechts)

Bei der Rasterröntgenmikroskopie werden nacheinander sehr kleine Bereiche der Probe mit einem besonders fein fokussierten Röntgenstrahl beleuchtet, dessen Durchmesser nur einige Zehn bis Hundert Nanometer beträgt. Diese sogenannte Ptychografie erlaubt schon jetzt sehr kleine Auflösungen von etwa zwanzig Nanometern. Die Auflösung lässt sich sogar noch verbessern, wenn das Instrument besser gegen äußere Störungen wie Schwingungen geschützt wird.

Besonders im Fokus

Um sichtbares Licht zu fokussieren, eignen sich Linsen aus Glas, das sich leicht formen lässt und einen geeigneten Brechungsindex hat. Je nach Krümmung der Linsen lässt sich das Licht stärker oder schwächer bündeln, umlenken oder ausrichten. Linsen für Röntgenstrahlung sind dagegen sehr viel schwieriger zu konstruieren.

Röntgenstrahlung wird selbst in Metallen nur schwach abgelenkt, sodass eher schwere Materialien für die Linsen infrage kommen. Ist das Linsenmaterial aber zu dicht, wird ein zu großer Teil der Strahlung einfach absorbiert und kann die Linse nicht mehr verlassen. Als Kompromiss sind heute Materialien wie Beryllium, Aluminium oder Kohlenstoff gebräuchlich. Besonders geeignet sind sie vor allem in seltenen, reinen Formen wie Diamant oder Saphir.

Durch eine Oberfläche ziehen sich mehrere Bahnen von Lamellen. Eine Vergrößerung mit Maßstab zeigt, dass die Bahnen etwa 30 Mikrometer in der Breite messen.
Neuartige Röntgenlinse mit Lamellenstruktur

Mit solchen „nanofokussierenden Linsen“ gelingt es schon jetzt, den Röntgenstrahl auf eine Fläche von nur 80 mal 80 Nanometern zu fokussieren. Für das Nanoskop an der Röntgenquelle PETRA III wurde eigens eine neuartige Röntgenlinse entwickelt, die aus einem Siliziumblock besteht, dessen Oberfläche von feinen Lamellen durchzogen ist. Dieser Linsentyp soll in Zukunft noch feiner fokussieren und vor allem mehr Licht passieren lassen als aktuelle Röntgenlinsen.

Röntgenmikroskopie für die Kunstgeschichte

Das am Forschungszentrum DESY aufgebaute Nanoskop steht seit 2012 auch Wissenschaftlern aus aller Welt für ihre Untersuchungen zur Verfügung. Ein Team um Geert Van der Snickt von der Universität Antwerpen untersuchte in diesem Jahr mithilfe verschiedener Analysetechniken eine rätselhafte Verfärbung von Gemälden Vincent van Goghs.

Links ein Van-Gogh-Gemälde, das bunte Blumen auf einem Tisch zeigt, die in einer blauen Vase stehen. Danebe eine extreme Vergrößerung eines winzigen Fragments aus dem Bild: Eine leuchtend gelbe Schicht ist von einer dunklen Kruste bedeckt. Ein Aufschnitt der Kruste zeigt neben der Farbe aus CdS selbst auch angelagertes PbSO4, CdC2O4 und CdCO3.
Untersuchung des Van-Gogh-Gemäldes

Am Röntgenmikroskop in Hamburg und der European Synchrotron Radiation Facility im französischen Grenoble setzten die Forscher verschiedene Röntgenmikroskopiemethoden ein, um der Verfärbung auf die Spur zu kommen. Ihre Untersuchung ergab, dass eine ungünstige Kombination von chemisch aktiver gelber Farbe und einem bleihaltigen Schutzanstrich in Zusammenhang mit Luftfeuchtigkeit dafür sorgt, dass sich ein dunkler Film über die gelbe Farbe legt und sie so verfälscht. Die Wissenschaftler sehen ihre Ergebnisse auch als Beitrag zur Bewahrung der Kunst: Nur wenn die chemischen Prozesse um Farbpigmente und die Umgebungsbedingungen genau bekannt sind, können Konservatoren schleichenden Verfälschungen rechtzeitig begegnen.

Eine Röntgenquelle für viele Anwendungen

Ein zwei Stockwerke hohes, langes und leicht gebogenes Gebäude auf einem Luftbild.
Die Max-von-Laue-Halle an PETRA III bei DESY in Hamburg

Die Röntgenquelle PETRA III in Hamburg ist ein umgebauter Teilchenbeschleuniger, der ursprünglich schon in den 1970er-Jahren für die Teilchenphysik eingesetzt wurde. Seit Abschluss des Umbaus im Jahr 2009 dient der Speicherring als Quelle für sehr brillante Röntgenstrahlung, die an 14 Experimentierplätzen gemeinsam mit zahlreichen Forschungseinrichtungen genutzt werden. An PETRA III werden laufend neue Messmethoden entwickelt, aber auch Forschungsergebnisse für Biologie, Chemie, Materialwissenschaften ermöglicht.

Derzeit wird PETRA III um zwei Experimentierhallen mit insgesamt zehn neuen Messplätzen erweitert. Ab dem Jahr 2016 sollen alle 24 Messstationen in Betrieb sein.