Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Durchbruch in der Elektronenmikroskopie - Dritte Dimension aus einer Aufnahme rekonstruiert

22.09.2014

Stellen Sie sich vor, Sie wollten anhand eines einzelnen Fotos von der Vorderseite eines Hauses herausfinden, wie das Gebäude von hinten aussieht, ob es irgendwelche Anbauten oder Schäden am Mauerwerk gibt und wie der Keller aufgeteilt ist. Unmöglich? Nicht in der Nanowelt.

Wissenschaftler aus Jülich und Xian haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich Kristallstrukturen in allen drei Dimensionen atomgenau rekonstruieren lassen. Sie verwendeten für dieses Kunststück die Aufnahme eines ultrahoch auflösenden Elektronenmikroskops. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials erschienen (DOI: 10.1038/nmat4087).


3D-Rekonstruktion eines Nanokristalls – hier eines Magnesiumoxid-Nanokristalls (unten) – aus einer einzigen elektronenmikroskopische Aufnahme. Rote Kugeln stehen für Magnesium, blaue für Sauerstoff.

Quelle: Forschungszentrum Jülich

Das Verfahren eignet sich insbesondere auch, um strahlungsempfindliche Proben vollständig räumlich zu erfassen, die durch den energiereichen Messstrahl rasch zerstört werden. Bei Nanoteilchen bestimmt die Oberfläche die physikalischen und technischen Eigenschaften weit mehr als bei anderen Stoffen. Die Effizienz von Katalysatoren etwa hängt stark von der Form des verwendeten Materials und seiner Oberflächenbeschaffenheit ab.

Physiker und Materialforscher sind deshalb daran interessiert, den Aufbau von Nanomaterialien von allen Seiten und über mehrere Lagen hinweg atomgenau bestimmen zu können. Bisher wurden dafür ganze Untersuchungsreihen aus unterschiedlichen Perspektiven benötigt. Doch Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) sowie der chinesischen Xian Jiaotong Universität haben es nun zum ersten Mal geschafft, die räumliche Anordnung der Atome ausgehend von einer einzigen elektronenmikroskopischen Aufnahme zu errechnen.

Ihre Methode bietet große Vorteile: Mit ihr können auch strahlungsempfindliche Proben untersucht werden, die durch den energiereichen Elektronenstrahl der Mikroskope rasch zerstört werden. Die vergleichsweise kurze Aufnahmedauer könnte es künftig sogar ermöglichen, kurzlebige Zwischenschritte chemischer Reaktionen zu beobachten. Darüber hinaus erlaubt es das „sanfte“ Messverfahren, nicht nur schwere, sondern auch leichte chemische Elemente nachzuweisen -- etwa Sauerstoff, der in vielen technologisch bedeutsamen Materialien eine wichtige Funktion innehat.

„Dreidimensionale Informationen aus einer einzigen, zweidimensionalen Aufnahme zu gewinnen, scheint auf den ersten Blick unmöglich. Doch es ist möglich, weil wir keine simple zweidimensionale Projektion der dreidimensionalen Probe erhalten, sondern das Experiment quantenmechanischen Regeln folgt “, erläutert Prof. Chunlin Jia, der am Jülicher Peter Grünberg Institut, Bereich Mikrostrukturforschung (PGI-5), am ER-C wie auch an der Jiaotong Universität forscht. „Auf dem Weg durch das Kristallgitter fungiert die Elektronenwelle des Mikroskops als hochempfindlicher Detektor für Atome und wird von jedem einzelnen Atom beeinflusst. Entscheidend ist, dass es tatsächlich einen Unterschied macht, ob die Wellenfront zu Beginn oder am Ende ihres Wegs durch den Kristall auf ein Atom trifft.“

Für das neue 3D-Messverfahren wird die dünne kristalline Probe – in diesem Fall Magnesiumoxid – so im Mikroskop positioniert, dass die Atome an den Knotenpunkten des Kristallgitters genau übereinander liegen und Säulen entlang der Beobachtungsachse bilden. Diese Atomsäulen sind später nur als helle Punkte auf der mikroskopischen Aufnahme sichtbar. Ein spezieller Abbildungsmodus verbessert noch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. So werden feine Unterschiede sichtbar, die den Forschern verraten, wo sich die einzelnen Atome in den Säulen entlang der Strahlrichtung befinden.

Für die Rekonstruktion der räumlichen Struktur vergleichen die Wissenschaftler die Aufnahme mit Berechnungen am Computer. Die Computersimulationen vermitteln einen Eindruck, wie eine mikroskopische Abbildung eines perfekten flachen Magnesiumkristalloxids aussehen würde. Anschließend passen sie den Modell-Kristall Schritt für Schritt an, bis die errechnete Abbildung mit der elektronenmikroskopischen Aufnahme optimal übereinstimmt.

Um die Eindeutigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu belegen, haben die Wissenschaftler umfangreiche statistische Tests durchgeführt. Diese ergaben auch, dass die Methode nicht nur empfindlich genug ist, um jedes einzelne Atom nachzuweisen, sondern auch zwischen den beiden Elementen des Kristalls, Magnesium und Sauerstoff, unterscheiden kann.

Original-Veröffentlichung:
Determination of the 3D shape of a nanoscale crystal with atomic resolution from a single image;
C. L. Jia, S. B. Mi, J. Barthel, D. W. Wang, R. E. Dunin-Borkowski,
K. W. Urban, A. Thust;
Nature Materials Advance Online Publication (AOP) 21.9.2014, DOI: 10.1038/nmat4087

Weitere Informationen:
Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut - Mikrostrukturforschung (PGI-5): http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-5/DE/Home/home_node.html
Ernst Ruska-Centrum: http://www.er-c.org

Ansprechpartner:
Prof. Chunlin Jia, Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut - Mikrostrukturforschung (PGI-5) und Ernst Ruska-Centrum
Tel. 02461 61-2408, E-Mail: c.jia@fz-juelich.de

Dr. Andreas Thust, Forschungszentrum Jülich, Peter Grünberg Institut - Mikrostrukturforschung (PGI-5) und Ernst Ruska-Centrum
Tel. 02461 61-6644, E-Mail: a.thust@fz-juelich.de

Pressekontakt:
Angela Wenzik, Wissenschaftsjournalistin, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048, E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel.: 02461 61-4771, E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2014/14-09-21jia.ht...

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Fraunhofer IFAM erweitert den Forschungsbereich »Beschichtungen für Bewuchs- und Korrosionsschutz«
11.01.2017 | Fraunhofer IFAM

nachricht Schrauben mit Köpfchen
10.01.2017 | Technische Universität Chemnitz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie