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 Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum
07.12.2016 | Technische Universität Graz

nachricht Bioabbaubare Polymer-Beschichtung für Implantate
06.12.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops