Innovation und Wissenschaft:Neuland in drei Dimensionen | |
3D Mikroskopie durch „Nanoschneiden“
Seit einigen Jahren wird immer deutlicher erkannt, dass Einblicke in den dreidimensionalen Aufbau von biologischen und technischen Materialien zu einem besseren Verständnis nicht nur der Struktur, sondern auch der Eigenschaften führen.
In der medizinischen Computertomographie ist es bereits gang und gäbe Schichtbilder vom Inneren des Menschen herzustellen und damit Rückschlüsse auf Krankheiten („Defekte“) zu erhalten. Die technischen Wissenschaften vollziehen derzeit eine ähnliche Entwicklung, die erst in das Bewusstsein der Techniker und Naturwissenschaften eindringen muss: Dreidimensionale Information ist für die Entwicklung moderner Werkstoffe unverzichtbar!
Innovation aus Graz
In diesem stark wachsenden Fachgebiet positionier t sich das ZFE Graz durch die Entwicklung der 3D-Elektronenmikroskopie. Dies erfolgt in enger wissenschaftlicher Kooperation mit den weltweit führenden Mikroskopherstellern – mit den High-Tech Schmieden GATAN Inc. in den USA und FEI Company in den Niederlanden.
Dafür gibt es mehrere entscheidende Gründe. Erstens: Werkstoffe und Biomaterialien bestehen oftmals aus mikroskopisch kleinen Bauelementen bzw. die Dimensionen ihrer inneren Strukturen können sogar im Nanometerbereich liegen; deshalb ist eine Abbildungsmethode mit hoher optischer Auflösung notwendig. Zweitens: Elektronenstrahlen, wie man sie im Elektronenmikroskop verwendet, sind hier aufgrund der Nanometer-Auflösung optimal!
Weltweite Entwicklungsführerschaft
Die Entwicklungen des ZFE, die weltweit die ersten waren, konzentrieren sich dabei auf weiche und anorganische Materialien:
Für die 3D-Untersuchung von weichen Materialien wird in ein spezielles Rasterelektronenmikroskop (ESEM) ein „in-situ Ultramikrotom“ eingebaut, mit dem dünne Schnitte von der Probe abgehoben werden können und nach jedem Schnitt die verbleibende Schicht analysiert wird. Dieser Prozess erfolgt vollautomatisch unter Verwendung von Präzisionsmotoren mit denen 50 bis 100 Nanometer dünne Schnitte erzeugt werden können. Der Einsatzbereich reicht von biologischen Stoffen, Holz, Industriefasern bis hin zu Papier und Kunststoffen (Abb.1).
Für die mikroskopische 3D-Untersuchung von „harten“ Materialien musste ein völlig anderer Weg beschritten werden. Dazu wurde ein „Focused Ion Beam“ Elektronenmikroskop mit einem Röntgenspektrometer ausgerüstet, und durch schichtweises Abtragen mit dem fein fokussierten Gallium-Ionenstrahl und die röntgenspektroskopische Analyse, können dreidimensionale Elementverteilungsbilder gemessen werden (Abb.2).
Die Methode konnte bereits automatisiert werden, sodass die elementare Zusammensetzung eines definierten Probenvolumens (typischerweise 20x20x20 Mikrometer) analysiert werden kann. Der Einsatzbereich reicht von Defekten in Computerchips über Sekundärphasen in Stählen, Legierungen und Kunststoffen bis zur Mikrosystemtechnik.
In der näheren Zukunft sollen die neuen 3DMethoden für die Erforschung der funktionellen Eigenschaften neuartiger Materialien und Strukturen wie Verbundwerkstoffe, Halbleiterbauelemente und Biomaterialien hilfreiche Dienste leisten. Dies erfolgt in enger Abstimmung mit der neuen Computertomographie des Österreichischen Gießerei Institutes in Leoben (PROKIS-Projekt der FFG).
A.o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Ferdinand Hofer, Zentrum für Elektronenmikroskopie, Graz
