Neuer Spitzenstandort in der Nanoanalytik

Das NMI in Reutlingen verfügt nun über zwei Elektronenmikroskope, die Forschern und Unternehmern einen einfachen Zugang zur Nanotechnik ermöglichen.

„Zuvor mussten Materialforscher zu Instituten nach Aachen oder Zürich fahren. Mit der Spitzentechnologie können wir Nanoanalysen nun auch im Südwesten Deutschlands durchführen“, sagt Dr. Stefan Raible, stellvertretender Leiter des Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts (NMI) an der Universität Tübingen, das in Reutlingen seinen Sitz hat. Mit den Elektronenmikroskopen sollen nicht nur atomare Bereiche abgebildet, sondern auch Proben mit der sogenannten Kryo-Präparation für die Mikroskopie vorbereitet werden. Bislang findet die Methode zur Probenpräparation in der Materialforschung nur selten Anwendung.

Die Beschaffenheit kleinster Strukturen kann Materialeigenschaften entscheidend beeinflussen und ist damit für neue und verbesserte Produkte von zentraler Bedeutung. Je präziser Unternehmen die kleinsten Bestandteile von Materialien analysieren können, desto besser sind sie im Wettbewerb aufgestellt. Für Produktentwickler und Forscher wird es deshalb immer wichtiger, Strukturen bis auf 0,000001 mm genau zu bestimmen. Dinge mit einer Größe im Nanometer-Bereich sind allerdings so klein, dass sie weder mit dem menschlichen Auge noch mit einem Lichtmikroskop zu sehen sind. „Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie eine Haselnuss zur gesamten Erde“, erklärt NMI-Forscher Dr. Claus Burkhardt. „Ohne hochauflösende Technik lassen sich Strukturen in dieser Größenordnung nicht bestimmen.“

Forscher und Unternehmen im Südwesten Deutschlands haben seit der Eröffnung des NMI Zentrums für Analytik und Elektronenmikroskopie in Reutlingen vor einem Jahr die Möglichkeit, Geräte zur Nanoanalyse zu nutzen. Moderne Elektronenmikroskope in dem Forschungs- und Dienstleistungszentrum für hochauflösende Nanoanalytik gewährleisten ihnen dabei eine artefaktfreie Präparation von Proben und deren hochauflösende Abbildung. Dies ermöglicht den Nutzern des Zentrums für Analytik und Elektronenmikroskopie die Morphologie und die chemische Zusammensetzung eines Materials genau zu bestimmen.

Ziel des NMI ist es, insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen für ihre Material-, Werkstoff- und Produktentwicklung den Zugang zu dieser modernen Nanoanalytik zu erleichtern. „Sie haben häufig keine eigenen Forschungskapazitäten, müssen dem internationalen Wettbewerbsdruck aber ebenso standhalten wie Großunternehmen“, sagt Burkhardt. Relevant ist hochauflösende Elektronenmikroskopie vor allem für Materialwissenschaften, Biomedizin und Werkstofftechnik. Zudem kommt sie in Bereichen der Halbleiterindustrie, der Life-Science-Forschung und in neuen Geschäftsfeldern wie der Elektromobilität oder dem 3D-Druck zum Einsatz.

Die Elektronenmikroskopie zählt zu den effektivsten Methoden, um Nanostrukturen zu erforschen. Sie bildet die Oberfläche oder das Innere eines Objekts mithilfe von Elektronen ab und basiert somit auf der Wechselwirkung von geladenen Teilchen und Licht. Zu der Ausstattung des Zentrums für Analytik und Elektronenmikroskopie zählen verschiedene Elektronenmikroskope. Ein neues Rasterelektronenmikroskop (SEM) ermöglicht nun, ultra-dünne Materialproben herzustellen, ohne sie zu schädigen. Durch diese Präparation bleibt die Struktur der Proben komplett erhalten. Im Anschluss wird ein Elektronenstrahl über das Objekt geführt und so ein Bild der Probe erzeugt.

Zusätzlich zum Rasterelektronenmikroskop stellt das NMI in seinem Zentrum für Analytik und Elektronenmikroskopie seit Kurzem ein neues Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) für Forscher und Unternehmen bereit. Verglichen mit dem SEM erzeugt es Bilder in noch höherer Auflösung: Während das SEM Proben in einer Größe von 1,0 nm auflöst, kann das Auflösungsvermögen des STEM bei 0,1 nm liegen – das entspricht der Größe von Atomen. Mit den scharfen Bildern der Proben können Forscher damit auch den atomaren Bereich eines
Materials genau analysieren.

Vor der Abbildung unter einem Elektronenmikroskop muss die Materialprobe so präpariert werden, dass die Struktur keine Schäden davonträgt. Bei biologischen Proben wie Zellen oder Gewebe wird dabei häufig die sogenannte Kryo-Präparation angewandt. Die Methode ermöglicht es, Proben innerhalb weniger Millisekunden einzufrieren, ohne dass dabei Kristalle mit größerem Volumen entstehen. Das kristallfreie Einfrieren gewährleistet, dass der ursprüngliche strukturelle und chemische Zustand der Probe vollständig erhalten bleibt. „Diese Art der Präparation wurde bislang in der Materialforschung nicht konsequent umgesetzt. Die technische Ausstattung des Zentrums für Analytik und Elektronenmikroskopie erlaubt es jetzt jedoch, die Vorteile der Kryo-Präparation auch diesem Bereich zugänglich zu machen“, sagt Burkhardt.

Neben den Analysegeräten können Unternehmen das Zentrum für Analytik und Elektronenmikroskopie auch als Anlaufstelle für materialwissenschaftliche und nanotechnische Expertise und Beratung nutzen.

sk