Ein Bild vom Atom

Materialwissenschaft erhält neues Spezial-Mikroskop

Stand: 18.07.2019 - 08:00

Stellen Sie sich vor, Sie könnten mit bloßem Auge ein Sandkorn so vergrö­ßern, dass es wie ein Gesteinsbrocken aussieht, der den Raum zwischen Jena und Erfurt voll­kommen ausfüllt und mit 40 km Höhe den Mount Everest bei Weitem übersteigt. Das - grob vereinfacht - leistet das neue Transmissionselektronenmikroskop (TEM), das jüngst am Lehrstuhl für Metallische Werk­stoffe der Universität Jena installiert worden ist. Es ist in der Lage, Auflösungen bis hin zu einzelnen Atomen zu erreichen. Atomdurchmesser liegen in der Größenordnung von rd. drei zehn­millionstel Milli­metern (2 bis 4Å). "Das neue Mikroskop erreicht eine Auflösung von 0,8 Ångström, was die direkte Abbildung nahezu aller Atom­sorten ermöglicht", freut sich Lehr­stuhl­in­haber Prof. Dr. Markus Rettenmayr.

Das hohe Auflösungsvermögen wird durch eine Korrekturlinse ("Aberrations­korrektor") er­reicht, wodurch der unvermeidliche Abbildungsfehler der magnetischen Linsen, die den Elek­tronenstrahl formen, ausgeglichen wird. Das TEM, das einen Wert von über 3,5 Mio. Euro hat, ist das einzige Gerät in Thüringen, das mit einem solchen Korrektor ausgestattet ist.

Kompliziertes Hightech-Kunstwerk

Da dieses Hightech-Kunstwerk einer langen Einarbeitungszeit für die Bediener bedarf, wird es vor allem vom Otto-Schott-Institut und vom Institut für Festkörperphysik der Universität Jena und ihren Forschungspartnern genutzt. Aktuell werden damit u. a. Phasenumwandlungen un­tersucht. Die Eigenschaften zahlreicher Legierungen entstehen während der Herstellung durch Ausbildung der Mikrostruktur, die in der Regel durch Phasenumwandlungen erfolgt. Die wichtigste Pha­sen­umwandlung ist die Erstarrung aus der Schmelze, aber auch im Festen fin­den Phasenumwandlungen noch statt. "Über frühe Stadien der Phasenumwandlungen konnte man bisher nur wenig Informa­tionen gewinnen, obwohl sich da schon viel entschei­det", sagt Rettenmayr. "Wenn es mehre­re Phasen gibt, die sich bilden können, möchten wir gerne die Gründe dafür erforschen, wel­che Phase sich zuerst bildet", nennt der Werkstoff­experte ein Forschungs­projekt, bei dem man sich viel vom neuen TEM erhofft.

20 Tonnen schweres Beton-Fundament

Das Gerät besitzt eine hohe elektronische und mechanische Stabilität und es wurden im In­stitut für Festkörperphysik optimale Bedingungen geschaffen. Das TEM steht auf einem 20 Tonnen schweren Beton-Fundament, das mechanisch komplett vom Rest des Gebäudes ent­koppelt ist und deshalb völlig schwingungsfrei steht. Der TEM-Raum ist durch 80 cm dicke Betonwände von der Außenwelt abgeschirmt. Das Gerät wird von einem separaten Raum aus gesteuert; sprechen oder - viel schlimmer - in die Hände klatschen würde zu Schwingungen füh­ren und das Bild für Minuten unscharf werden lassen.

"Die herausragende Stärke des Gerätes liegt in den Möglichkeiten einer präzisen chemi­schen Analytik", betont Markus Rettenmayr. Neben fünf bildgebenden Detektoren ist das Gerät noch mit zwei Spektrometern zur chemischen Analyse ausgestattet. Diese profitieren immens von der Elektronenquelle ("kalter Feld­emitter"), die sich durch eine geringe Energie­breite und einen hohen Richt­strahl­wert auszeichnet. In der Kombination von moderner Elek­tronenquelle und modernen Detektoren ist ein derartiges Gerät noch nie verbaut worden. "Im Augenblick ist das TEM in Jena das europaweit beste in der chemischen Analytik", ist Prof. Rettenmayr überzeugt.

Die Kosten für das Hochleistungsforschungsgerät haben Bund, Land und Universität ge­tragen.


Quelle: Uni Jena - Mitteilungen - Ein Bild vom Atom (18.07.2019)

Link: Lehrstuhl für Metallische Werkstoffe

Bild: Das neue Transmissionselektronenmikroskop in der Materialwissenschaft.
Foto: Jan-Peter Kasper/ FSU