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Bis ins kleinste Detail

Neue Systeme an der Beamline

Das Unsichtbare sichtbar machen – das ist das Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die an den Hereon-Endstationen der Beamlines am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg arbeiten. An der Imaging-Beamline (IBL) haben die Teams des Hereon völlig neue und einzigartige Detektorsysteme installiert, die es den Forschenden erlauben, ihre winzigen Proben noch schneller und genauer zu untersuchen.

Dr. Elena Longo arbeitet an der Beamline.

Dr. Elena Longo arbeitet an der Beamline. Foto: Hereon/ Christian Schmid

Am DESY befindet sich die brillanteste Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle weltweit: Petra III. Der Speicherring ist 2304 Meter lang und hat 24 Strahlführungen (Beamlines). Eine davon ist die Imaging Beamline P05. Sie gehört dem Hereon und wird von dessen Forschenden betreut.

Zur P05 gehören zwei Messplätze mit festen Forschergruppen: die Mikro- und die Nanotomographie. An beiden wurde in den vergangenen Jahren sowohl eigene Forschung betrieben als auch externe Nutzergruppen bei deren Vorhaben unterstützt – denn niemand kennt die Beamlines so gut, wie das IBL-Team selbst. Deshalb kommen Nutzer aus aller Welt, um ihre Proben im Röntgenstrahl durchleuchten zu lassen.

Zerstörungsfrei durchleuchten

Fabian Wilde an der Beamline

Hat die Proben im Blick: Beamline-Wissenschaftler Dr. Fabian Wilde arbeitet seit 2010 in der Röntgenbildgebung mit Synchrotronstrahl. Foto: Hereon/ Christian Schmid

Das Besondere daran ist, dass die Wissenschaftler mit den Methoden einen Blick in das Innere von verschiedenen Materialien werfen können, ohne diese zu zerstören – egal ob Metall oder biologische Probe. Die IBL wurde speziell für in-situ Messungen entworfen und ist so flexibel gebaut, dass von Materialwissenschaften über Medizin und Biologie bis hin zu Paläontologie die unterschiedlichsten Wissenschaften bedient werden. Nur wer die Struktur der Materialien bis hinunter auf die Nanometer Skala kennt, kann beginnen zu verstehen, wie sie funktionieren oder wo bestimmte Eigenschaften herrühren.

Dr. Jörg Hammel

Dr. Jörg Hammel betreut seit 2014 verschiedenste Nutzergruppen und Experimente als Beamline-Wissenschaftler am Hereon. Foto: Hereon/ Christian Schmid

Das Ziel der Forschenden ist es, einen möglichst großen Bereich der Proben extrem schnell und hochaufgelöst mit bestem Kontrast als dreidimensionales Bild am Computer abzubilden. Alle Punkte konnten jedoch rein technisch nicht gleichzeitig erfüllt werden. Mit den neuen Detektorsystemen an der Mikro- und Nanotomographie kommen die Hereon-Wissenschaftler dem Ideal jedoch ein großes Stück näher. Denn einhergehend mit den immer neuen Entwicklungen auf dem Markt der Handykameras wurden auch die Detektoren, die in der Wissenschaft eingesetzt werden können, immer besser.

Mikrotomographie

Beamline DESY

Foto: Hereon/ Christian Schmid

Einzigartig: An der Mikrotomographie-Station können Proben mit einem Durchmesser von einem Zentimeter durchleuchtet und auf einen Mikrometer genau abgebildet werden.

Was gibt es Neues?
Die neuen Detektoren an der „Mikro“ haben mit nun 50 Megapixeln eine fünfmal so hohe Auflösung wie die alten und sind extrem sensitiv. Außerdem können die Proben mit neuen Kontrastverfahren deutlich schneller vermessen werden, wobei größere Bilder der Proben entstehen.

Implantat

Foto: Hereon/ Berit Zeller-Plumhoff

Magnesium-Implantat
Die Knochenschraube aus Magnesium stammt aus dem Hereon-Teilinstitut „Metallische Biomaterialien“. Um untersuchen zu können, wie genau sich das Implantat im Knochen auflöst, wird die 5x5 Millimeter große Probe durchleuchtet. Mit den alten Kameras konnten nur Ausschnitte der Probe angeschaut werden, wobei die einzelnen Bilder anschließend zusammengesetzt werden mussten. Jetzt kann die gesamte Probe mikrometergenau als 3D-Datensatz auf dem Computer dargestellt werden.

Reco

Foto: Hereon/ Lucian Blaga

Fügeverfahren
Mit innovativen Fügeverfahren aus dem Institut für Werkstoffforschung werden die verschiedensten Werkstoffe miteinander verbunden: Metall mit Kunststoff, Komposit mit Aluminium oder Titan mit Stahl. Die Proben werden bis aufs kleinste Detail durchleuchtet. So können die Forschenden überprüfen, wie sich die Materialien beim Fügen verhalten und den Prozess besser verstehen. Hier ist eine Verbindung zusehen, die mittels UJoining, einem vom Hereon patentierten Verfahren, durchgeführt wurde. Dabei ist eine Titanlegierung mit einem faserverstärkten Kunststoff verbunden.

Nanotomographie

Beamline

Foto: Hereon/ Christian Schmid

Wenn es um kleinere und noch detailliertere Aufnahmen als an der Mikro- geht, wird die Nanotomographie eingesetzt. Die Proben, die hier untersucht werden, sind oft nur so dick wie ein menschliches Haar. Mithilfe der Röntgenoptiken können Strukturen abgebildet werden, die unter 40 Nanometern groß sind - das ist weniger als ein Tausendstel der Dicke eines Haares.


Was gibt es Neues?
Das Technikum des Hereon hat den neuen Kameraturm exakt nach den Vorstellungen der Forschenden an den Beamlines gebaut – so einen gibt es kein zweites Mal auf der Welt! Durch den neuen Kameraturm können jetzt die neuen Detektoren aus der Mikrotomographie auch in der Nanotomographie eingesetzt werden. Dadurch wird die Flexibilität der Nanotomographie deutlich erhöht. Für einen Scan, der früher acht Stunden benötigte, reichen mit den neuen Kameras jetzt wenige Minuten. Damit können die Forschenden im Vergleich zu anderen sehr schnell messen.

Poren

Foto: Hereon/ Berit Zeller-Plumhoff

Magnesium-Implantat
Um exakte Korrosionsprozesse an der Grenzschicht zwischen Schraube und Knochen untersuchen zu können, wird das Beispiel #1 der Mikrotomographie noch einmal in der Nanotomographie untersucht. Dafür werden winzige Stücke aus der Korrosionsschicht ausgeschnitten und in dem Röntgenstrahl positioniert. Zur Original-Publikation (doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.04.009.)

Schmetterlingsschuppe

Foto: Hereon/ Lucian Blaga

Schmetterlingsschuppe
Schmetterlingsflügel leuchten oft in den tollsten Farben – einige Arten wie der Himmelsfalter wenden dafür einen Trick an: Sie haben keine Farbpigmente auf den Schuppen ihrer Flügel, sondern farblose Schuppen, die tannenbaumartig angeordnet sind. Diese Anordnung verschluckt alle Farben des Sonnenlichts, bis auf das blaue Licht, das zurückgeworfen wird. Deshalb erscheint der Himmelsfalter blau.

Dr. Elena Longo und Doktorandin Silja Flenner

Dr. Elena Longo ist seit zwei Jahren in der Hereon-Außenstelle am DESY in Hamburg tätig und überprüft hier mit Doktorandin Silja Flenner die Aufnahmen der Schmetterlingsschuppe. Foto: Hereon/ Christian Schmid

Wie genau die Struktur aufgebaut ist, haben Wissenschaftler der Universität Sheffield mithilfe der Nanotomographie des Hereon untersucht. Mit dem Wissen könnten „Farben“ hergestellt werden, die nicht ausbleichen.

Ausblick

PETRA IV

Am DESY wird bereits die nächste Generation der Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle geplant. Mit PETRA IV wird der Strahl noch fokussierter. Für die Hereon-Wissenschaftler werden damit optimierte Phasenkontrastver-fahren möglich, von denen besonders die Materialwissenschaften profitieren. Die neue Anlage soll im bestehenden PETRA III-Ringtunnel gebaut werden und 2027 in Betrieb gehen. „Mit PETRA IV und der bahnbrechenden Nanofokussierung bieten sich uns hervorragende Forschungsmöglichkeiten zur Herstellung neuer zukunftsweisender und ressourcenschonender Materialien“, so Professor Matthias Rehahn, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des Hereon.


Autorin: Gesa Seidel (Hereon)
Erschienen in der in2science #10 (Dezember 2020)