Live-Einblicke in die Elementarwelt führen zu Durchbrüchen in der Materialforschung

Ob Wasserstoff-Speicher oder Leichtbau: Moderne Elektronen-Mikroskope sind für viele Bereiche der Werkstoffforschung unverzichtbar. Die Entwicklungen auf diesem wichtigen Forschungsfeld der Instrumente und ihrer Methoden und ihre Anwendung bei der Erforschung und Entwicklung neuartiger Funktionsmaterialien für Energie, Umwelt, Medizin und Leben stehen im Zentrum des Fachkongresses IAMNano 2018 Hamburg. Das Expertentreffen findet vom 14. bis 17. Oktober 2018 in Hamburg statt und wird von Werkstoffforschern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Technischen Universität Hamburg organisiert und maßgeblich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie durch das Zentrum für Hochleistungswerkstoffe (ZHM) gefördert. Rund 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt werden erwartet.

Transelektronenmikroskop-Aufnahme. Bild: HZG/Abt. Metallphysik

Dank der modernen fehlerkorrigierten Transmissionselektronenmikroskope (TEM) mit millionenfacher Vergrößerung schauen HZG-Werkstoffforscher sogenannten Metallhydriden für die Wasserstoffspeicherung live bei der Be- und Entladungsreaktion zu. Solche Speichermaterialien werden für die Wasserstofftechnologie von einem Wissenschaftlerteam um Prof. Dr. Thomas Klassen entwickelt. Durch die Beobachtungen erweitern sie das grundlegende Wissen über die Reaktion des Materials bei der Wasserstoffaufnahme und –abgabe und können so zielgerichtet die Eigenschaften des Materials z.B. für die Anwendung im emissionsfreien Automobil einstellen.

„Dank des in-situ Einblicks bis auf die elementare Ebene können wir erkennen, wie die Wasserstoffaufnahme der nanostrukturierten Metallpulver durch geeignete Additive von mehreren Stunden auf wenige Minuten reduziert werden kann“, sagt dazu einer der Organisatoren des Kongresses und HZG-Abteilungsleiter im Teilinstitut Werkstoffphysik, Prof. Dr. Florian Pyczak: „Dank dieser tiefen Einblicke werden gerade in den Lebenswissenschaften und der Werkstoffforschung neue Materialien entdeckt und unbekannte Effekte erforscht.“ Die Abteilung von Florian Pyczak betreibt am HZG das TEM.

Ein Transmissionselektronenmikroskop nutzt als Lichtquelle eine Elektronenkanone. Ähnlich der Photonen des Lichtstrahls bei Lichtmikroskopen werden hier Elektronen genutzt, um eine Probe zu durchleuchten. Zur Vergrößerung dienen elektrische und magnetische Felder der Elektronenoptik des TEM statt der Linsen aus Glas, die für Lichtmikroskope eingesetzt werden.

Neben der Abbildung der atomaren Strukturen von Funktionsmaterialien oder von biologischer Materie stellt die moderne Transmissions-Elektronenmikroskopie eine Vielzahl von weiteren nanoanalytischen Analyseverfahren bereit. Neben der Strukturbestimmung auf Nanometer-Skala, auch in 3 Dimensionen, erlauben spektroskopische Untersuchungen Aussagen zur Element-Zusammensetzung und zur Art der Atombindungen, welche entscheidend sind für die Materialeigenschaften. Mit Verfahren der In situ TEM können Materialreaktionen in Gasen und Flüssigkeiten ’live’ verfolgt werden, während elektronenholographische und Phasenkontrast-Methoden es erlauben, elektrische und magnetische Felder abzubilden und zu vermessen.

Florian Pyczak: „Das Treffen der TEM-Experten findet zum zweiten Mal in Hamburg statt. Der direkte Austausch untereinander ergibt neue Herangehensweisen an bekannte Probleme. Diese Veranstaltung hilft uns, die Werkstoffforschung voranzubringen.“