Das schärfste Lichtbild der Welt

Ein Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble (Frankreich) hat die höchste jemals in der Mikroskopie mit Röntgenlicht verwirklichte Auflösung erzielt.

Sie bildeten ein nur 100 Nanometer großes Goldteilchen, das auf einem Substrat fixiert war, mit einer Auflösung von fünf Nanometern ab. Die neue Technik kann -im Gegensatz zu anderen Mikroskopietechniken – auch während des Ablaufs chemischer Reaktionen oder in Gegenwart starker magnetischer Felder angewendet werden. In der jüngsten Ausgabe der Phys. Rev. Lett. (29. August 2008) berichtet das Team über seine Ergebnisse.

Jeder Besitzer einer Kamera weiß, dass die Güte des Objektivs ausschlaggebend für die Qualität des Bildes ist; ein schlechtes Objektiv wird niemals scharfe Bilder liefern. Im Abbildungsbereich von Röntgenstrahlung ist die Herstellung eines guten Objektivs eine echte Herausforderung; muss seine Qualität doch die einer optischen Kamera oder eines Lichtmikroskops noch tausendfach übertreffen. Aus diesem Grund konnte die hochauflösende Bildgebung mit Röntgenstrahlen noch nie voll ausgeschöpft werden.

Der Trick besteht darin, das Objektiv ganz wegzulassen. Stattdessen wird das Objekt von einem ganz besonderen Lichtstrahl beleuchtet und nur das am Objekt gebeugte Licht aufgezeichnet. Beugung ist die Streuung von Licht an scharfen Kanten und kleinen Hindernissen, wie es etwa geschieht, wenn ein Autoscheinwerfer durch Nebel oder feine Staubwolken leuchtet.

Wenn das Licht spezielle laserähnliche Eigenschaften (Kohärenz) aufweist, erzeugt die Beugung regelmäßige Muster, aus denen die Form des Objekts von einem Computerprogramm rekonstruiert werden kann. An vielen Synchrotronstrahlungsquellen auf der ganzen Welt wird diese Technik angeboten, die „Bildgebung durch Beugung kohärenter Röntgenstrahlung“ (coherent X-ray diffraction imaging) genannt wird. Die Stärke und Qualität kohärenter Röntgenstrahlung hatten die Auflösung dieser Technik bisher auf 30-40 nm beschränkt.

Die Wissenschaftler der TU Dresden und der ESRF verbesserten diese Auflösung auf fünf Nanometer – etwa hundert Mal schärfer als die beste Auflösung eines optischen Mikroskops.

Möglich wurde dieser Schritt, indem die Wissenschaftler sowohl die Qualität, als auch die Intensität des eingesetzten kohärenten Röntgenstrahls verbesserten, indem sie einen eingehenden Strahl mit einer Stärke von 15,25 Kilo-Elektronenvolt unter Beibehaltung seiner Form auf einen Durchmesser von nur 100 Nanometern konzentrierten und seine Kohärenzeigenschaften dabei beibehielten. Zehn Minuten lang beleuchtete der Strahl dann ein einzelnes Nanopartikel. Das detaillierte Beugungsmuster machte es möglich, ein Bild dieses Partikels zu erstellen.

Die Technik der Bildgebung durch Beugung kohärenter Strahlen wird in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen. Sie ist zerstörungsfrei und kann die Form, die Größe und die Zusammensetzung einzelner Nanostrukturen wie beispielsweise Quantenpunkte in Halbleitern oder Nanopartikel in Katalysatoren erfassen. Zukünftige röntgenfreie Elektronen-Laser und weiter verbesserte Detektoren würden es sogar möglich machen, Bilder von biologischen Makromolekülen aufzunehmen, die normalerweise durch Röntgenstrahlen geschädigt werden können.

Die Bildgebung durch Beugung kohärenter Röntgenstrahlung ist nicht das einzige Verfahren, das eine Auflösung im Nanometerbereich erzielen kann. Höchste Auflösungen werden in der Elektronenmikroskopie erreicht, jedoch muss dazu die Probe sehr dünn sein und sich im Vakuum befinden. Röntgenstrahlen können dagegen in nahezu jeder Umgebung eingesetzt und deswegen auch genutzt werden, um zu untersuchen, wie sich eine Probe unter äußeren Einflüssen, z. B. in einem chemischen Reaktor oder einen starken Magnetfeld, verhält.

Als einen nächsten Schritte planen die Forscher, die Auflösung bis an die Nanometergrenze voranzutreiben und ihre neue Technik zur Beantwortung realer wissenschaftlicher Fragen einzusetzen.