Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kamera für den Nanokosmos

10.08.2015

Um immer noch tiefer in die Welt des Allerkleinsten vordringen zu können, müssen die Grenzen der Mikroskopie weiter verschoben werden.

Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dresden ist es nun in Zusammenarbeit mit der FU Berlin erstmalig gelungen, zwei etablierte Untersuchungsmethoden – die Nahfeld-Mikroskopie und die Ultrakurzzeit-Spektroskopie – zu verbinden. Eine eigens entwickelte, computergestützte Technik kombiniert die Vorteile der beiden Verfahren und unterdrückt zudem unerwünschtes Rauschen. Damit werden hochgenaue Filme von Vorgängen im Nanometer-Bereich möglich (DOI: 10.1038/srep12582).


Die hellen Streifen auf einer bekannten Dünnschicht-Probe aus Silizium und Germanium werden mit Laserlicht angeregt. Genau dort wird die ansonsten durchsichtige Probe reflexiv.

TU Dresden

Viele wichtige Prozesse in den Natur- und Lebenswissenschaften sind auch heute noch nicht verstanden. Man denke etwa an die Photosynthese oder an die Hochtemperatur-Supraleitung, die dafür sorgt, dass bestimmte Materialien auch bei relativ hohen Temperaturen verlustfrei Strom leiten können.

Dies liegt zum einen daran, dass solche Vorgänge auf einer Skala von millionstel Millimetern (Nanometern) stattfinden und sich deshalb der konventionellen, optisch-mikroskopischen Abbildung entziehen. Zum anderen müssen Forscher die meist sehr schnellen Veränderungen in einzelnen Schritten genau beobachten können, um die hochkomplexen Abläufe besser zu verstehen. Die Entwicklung zeitlich und räumlich hochauflösender Techniken wird daher seit Jahrzehnten weltweit vorangetrieben.

Die neuartige Kamera aus Dresden verbindet die Vorteile aus zwei Welten: der Mikroskopie und der Spektroskopie. Sie ermöglicht unverfälschte optische Messungen extrem kleiner, dynamischer Änderungen von biologischen, chemischen oder physikalischen Prozessen. Zudem ist das Instrument sehr kompakt und kann für die spektroskopischen Untersuchungen einen großen Teil des elektromagnetischen Spektrums nutzen.

Für die einzelnen Bilder können Zeitschritte von wenigen Billiardstel Sekunden (Femtosekunden) bis hin zu Sekunden gewählt werden. „Damit ist unser Nanoskop für die Darstellung ultraschneller physikalischer Prozesse ebenso geeignet wie für biologische Prozesse, die oft sehr langsam verlaufen“, freut sich Dr. Michael Gensch vom HZDR.

Kombination zweier Methoden garantiert hohe räumliche und zeitliche Auflösung

Das Nanoskop basiert auf einer Weiterentwicklung der Nahfeld-Mikroskopie, bei der Laserlicht auf eine hauchdünne Metallspitze eingestrahlt wird. Diese bündelt das Licht sehr stark – und zwar hundertfach kleiner als die Lichtwellenlänge, welche sonst die Grenze in der „normalen“ Optik mit Linsen und Spiegeln darstellt. „Wir können im Prinzip das gesamte Wellenlängen-Spektrum der Nahfeld-Mikroskopie vom ultravioletten bis in den Terahertz-Bereich verwenden“, so Dr. Susanne Kehr von der TU Dresden.

„Das gebündelte Licht gibt Energie an die Probe ab und es kommt zu einer besonderen Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe im sogenannten Nahfeld. Beobachtet man den zurückgestreuten Anteil des Laserlichtes, erzielt man eine räumliche Auflösung in der Größenordnung des Nahfelds, also im Nanometer-Bereich.“ Typischerweise wird diese mit dem Fachbegriff SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) benannte Technik nur zur Abbildung statischer Zustände eingesetzt.

Bei der Ultrakurzzeit-Spektroskopie dagegen handelt es sich um das entscheidende Werkzeug, mit dem Forscher dynamische Prozesse auf sehr kurzen Zeitskalen und mit extrem hoher Empfindlichkeit studieren können. Allerdings war die räumliche Auflösung bisher auf den Mikrometerbereich beschränkt. Das Prinzip solcher Anregungs-Abfrage-Experimente, die beispielsweise mit Licht-, Druck- oder Spannungspulsen funktionieren: Während ein erster Puls die zu untersuchende Probe anregt, fragt ein zweiter Puls die Änderung in der Probe ab.

Wird die Zeit dazwischen variiert, können Momentaufnahmen zu unterschiedlichen Zeiten gemacht werden und ein Film entsteht. Dabei sorgt eine ausgeklügelte Korrektur von Messfehlern für die hohe Empfindlichkeit des spektroskopischen Verfahrens. So bedeutet die Aktivierung durch den Anregungspuls für das gesamte Proben-System eine Art Störung, die es herauszufiltern gilt, um das Rauschen bzw. den „Untergrund“ zu eliminieren. Dies geschieht, indem direkt vor dem ersten Puls ein Referenzpuls die noch ungestörte Probe abtastet. Genau diese Technik war bislang nicht mit der Nahfeld-Mikroskopie kombinierbar. Den Teams um die beiden Dresdner Physiker ist es damit erstmalig gelungen, alle Vorteile der beiden Methoden in ihrem Nanoskop zu vereinen.

„Wir haben eine Software mit einer besonderen Demodulationstechnik entwickelt, mit der wir neben der hervorragenden Auflösung der Nahfeld-Mikroskopie, die um mindestens drei Größenordnungen besser ist als die der Ultrakurzzeit-Spektroskopie, nun auch dynamische Änderungen in der Probe mit hoher Empfindlichkeit messen können“, erklärt Kehr. Das trickreiche elektronische Verfahren versetzt das Nanoskop in die Lage, ausschließlich die tatsächlich auftretenden Änderungen in den Probeneigenschaften aufzunehmen. Erst vor kurzem hatten auch andere Forschergruppen über eine gute Zeitauflösung ihrer Nanoskope berichtet, den wichtigen Korrekturmodus konnten sie jedoch nicht realisieren. Ein weiterer Vorteil der Dresdner Lösung: Sie lässt sich leicht in bereits bestehende Nahfeld-Mikroskope integrieren.

Universell in jeglicher Hinsicht

„Durch den großen Wellenlängen-Bereich unseres Nanoskops können dynamische Prozesse mit den für die konkrete Messung am besten geeigneten Wellenlängen untersucht werden, was ein wichtiger Schritt zu deren Verständnis ist. So haben unsere Kollegen von der FU Berlin den ehrgeizigen Traum, die strukturellen Änderungen während des Photozyklus eines einzelnen Membranproteins im infraroten Spektralbereich zu verfolgen“, sagt Gensch. Gemeinsam mit seiner TU-Kollegin Susanne Kehr hat er die neue Methode zunächst an einem bekannten Proben-System, einer halbleitenden Schicht aus Silizium und Germanium, demonstriert. „Hätten wir eine unbekannte Probe als Demonstrator genutzt, wären wir nicht in der Lage gewesen, die Funktionalität unseres Ansatzes richtig zu interpretieren“, betont Kehr.

Das Nanoskop aus Dresden ist universell an die jeweiligen wissenschaftlichen Fragestellungen adaptierbar. Die Wellenlängen der Abfragepulse können prinzipiell vom tiefen Terahertz-Bereich bis in den ultravioletten Bereich reichen. Die Probe kann mit Laser-, Druck-, Spannungs- oder Magnetfeld-Pulsen angeregt werden. Am HZDR wurde das Prinzip an einem typischen Laborlaser getestet sowie am Freie-Elektronen-Laser FELBE. Erste Versuche an der neuen Terahertz-Quelle TELBE, die extrem kurze Spannungs- und Magnetfeld-Pulse zur Anregung zur Verfügung stellt, sind in Vorbereitung. „Zukünftig können wir dann nicht nur sehen, wie schnell ein Prozess abläuft, sondern auch besser lokalisieren, wo genau in der Probe er stattfindet. Das ist insbesondere für unsere TELBE-Anlage, die im nächsten Jahr in Betrieb gehen wird, von großer Bedeutung“, erläutert Michael Gensch, Leiter des TELBE-Projekts am HZDR.

Publikation: F. Kuschewski, S.C. Kehr, B. Green, Ch. Bauer, M. Gensch & L.M. Eng: Optical nanoscopy of transient states in condensed matter, in: Scientific Reports 5, 12582, Online-Publikation am 28.07.2015 (DOI-Link: http://www.nature.com/srep/2015/150728/srep12582/metrics)

Weitere Informationen:
Dr. Michael Gensch
Institut für Strahlenphysik und Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel. +49 (351) 260 2464 | E-Mail m.gensch@hzdr.de

Dr. Susanne Kehr (bis 21.08.2015 im Urlaub)
Institut für Angewandte Physik an der TU Dresden
Tel. +49 (351) 463 32711 | E-Mail susanne.kehr@iapp.de

Medienkontakte:
Dr. Christine Bohnet | Leiterin Kommunikation, Pressesprecherin
Tel. +49 (351) 260 2450 | E-Mail c.bohnet@hzdr.de
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Bautzner Landstr. 400 | 01328 Dresden
www.hzdr.de

Kim-Astrid Magister | Pressesprecherin
Tel. +49 (351) 463 32398 | Fax +49 (351) 463 37165
E-Mail Pressestelle@tu-dresden.de
Technische Universität Dresden, 01062 Dresden
http://www.tu-dresden.de

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte (Dresden, Leipzig, Freiberg, Grenoble) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

Weitere Informationen:

http://www.hzdr.de

Dr. Christine Bohnet | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Weitere Berichte zu: Energie HZDR Helmholtz-Zentrum Materie Nanokosmos Nanoskop Terahertz-Bereich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie