Technische Universität Wien
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2017-05-29 [

Florian Aigner

 | Büro für Öffentlichkeitsarbeit ]

Die vielen Farben der Röntgenstrahlung

Die Universität für Bodenkultur (BOKU) und die TU Wien bauen ein völlig neuartiges Röntgenfarbmikroskop, finanziert durch eine Förderschiene des Wissenschafts- und Wirtschaftsministeriums mit den Geldmitteln der österreichischen Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung.

Spezielle Röntgenaufnahme eines Knochens: Die Farben geben Auskunft über die Verteilung verschiedener chemischer Elemente.

Um die kleinsten Strukturen von Materialien sichtbar zu machen reichen herkömmliche Lichtmikroskope nicht aus. Wesentlich mehr Möglichkeiten bieten Röntgenstrahlen: man kann mit ihnen in das Innere von Materialien hineinleuchten, eine höhere Auflösung erreichen, und zusätzlich Auskunft über die Kristallstruktur und chemische Zusammensetzung der Probe erhalten. Meist ist das aber ein komplizierter Prozess, bei dem man die Probe Punkt für Punkt mit einem Röntgenstrahl abtasten und oft zusätzlich schrittweise drehen muss.

In Wien wird ein hochmodernes Röntgenfarbmikroskop gebaut, mit dem dieser Vorgang deutlich einfacher wird: Seine Kamera kann unterschiedliche Wellenlängen voneinander unterscheiden – ähnlich wie eine Farbfotokamera, nur eben im Röntgenbereich. Damit wird es erstmals möglich, gleichzeitig die Kristallstruktur einer Probe dreidimensional zu analysieren und gleichzeitig ein Bild der chemischen Zusammensetzung mit Mikrometerauflösung zu erzeugen. Aufgebaut wird das neue Röntgenmikroskop an der Universität für Bodenkultur (BOKU), betrieben wird es gemeinsam von der BOKU und der TU Wien. Ermöglicht wird der Aufbau des Röntgenfarbmikroskops durch das Programm „Forschungsinfrastruktur“, abgewickelt von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG und finanziert vom Wissenschafts- und vom Infrastrukturministerium.

3D Einblicke in Kristallstrukturen

Die klassische Methode, um die Anordnung von Atomen im Kristall sichtbar zu machen, ist die Beugung von Röntgenstrahlen. Sie werden von der regelmäßigen Struktur des Kristalls auf charakteristische Weise abgelenkt. Normalerweise verwendet man dabei nur Röntgenstrahlung mit einer ganz bestimmten Wellenlänge. Doch Röntgenstrahlung, die aus mehreren Wellenlängen, also unterschiedlichen „Röntgen-Farben“ besteht, kann deutlich mehr, wie ein internationales Team um die BOKU-Physikerin Helga Lichtenegger kürzlich zeigen konnte. „Die Energieinformation, die in den Röntgenstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen enthalten ist, kann in kristallographische 3D-Information übersetzt werden. Auf diese Weise können wir mit 2-dimensionalen Bildern die 3-dimensionale Orientierung von kleinsten Kristalliten in unterschiedlichsten Werkstoffen abbilden“, erklärt Lichtenegger.

Das Einsatzgebiet für diese Methode reicht von biologischen Systemen (biomineralisierte Gewebe, Selbstorganisationsprozesse), über Dünnfilmtechnologie bis zur industriellen Materialforschung (Nanoverbundwerkstoffe, nanokristalline Metall-Legierungen etc.). War dieser Zugang bisher nur an Großforschungsanlagen möglich, so soll sich dies durch das neue Röntgenfarbmikroskop ändern.

„Wir gehen mit dem Projekt Röntgenfarbmikroskop in die entscheidende Runde und wollen diese Technologie erstmals fit für das Labor machen“, sagt Helga Lichtenegger, Leiterin des Instituts für Physik und Materialwissenschaft an der BOKU. Sie leitet das neue Infrastrukturprojekt und ist überzeugt: „Wir erwarten uns, durch das neue Röntgenmikroskop eine international führende Rolle im Bereich der Materialcharakterisierung einnehmen zu können. Es ist das erste Gerät seiner Art, das erste Röntgenfarbmikroskop überhaupt, und wird auch den Forschungsstandort Österreich bedeutend stärken.“

Zerstörungsfreies chemisches Imaging

Eine weitere maßgebliche Stärke des neuen Röntgenmikroskops ist die Möglichkeit Bilder der chemischen Zusammensetzung eines Materials zu erhalten. Dabei ist es oft wichtig zerstörungsfrei zu arbeiten – etwa, wenn es um die Analyse von Kunstgegenständen geht, aber auch bei biologischen Proben oder in der Nanotechnologie.

„In der Röntgen-Fluoreszenzanalyse regt man die Atome der Probe mit einem Röntgenstrahl an, sodass sie dann ihrerseits Röntgenstrahlung aussenden“, erklärt Klaudia Hradil, Leiterin des Röntgenzentrums der TU Wien und Kooperationspartnerin im Infrastrukturprojekt. „Unterschiedliche Atome senden dabei Röntgenstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge aus, daran können wir sie erkennen.“ So ist es beispielsweise möglich, die Verteilung bestimmter Schwermetalle in einem Stück Knochen zu untersuchen, oder Inhaltsstoffe der Tinte auf alten Papyrus-Rollen zu messen.

Gewöhnliche Röntgenkameras können allerdings nicht zwischen Röntgenstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen unterscheiden. Man musste daher bisher auf mühsame Weise die ganze Probe aufwändig mit einem eng fokussierten Röntgenstrahl abtasten. „Mit dem neuen Röntgenfarbmikroskop geht das innerhalb einer einzigen Belichtung“ sagt Christina Streli vom Atominstitut der TU Wien, die dritte Kooperationspartnerin im Projekt. „Es werden damit völlig neue Untersuchungen möglich“.

Universitätsübergreifende Infrastruktur

1,5 Millionen Euro Förderung wurden nun für den Aufbau des Spitzenmikroskops genehmigt. Es wird unter Federführung der BOKU aufgebaut und dort auch seinen Platz finden. Universitätsübergreifend ist die TU Wien mit dem Röntgenzentrum und dem Atominstitut beteiligt.

Nähere Information:
Dr. Klaudia Hradil
Leiterin des Röntgenzentrums
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-17116
klaudia.hradil@tuwien.ac.at