16 Nanometer in 3D

Im Alltag kennen wir Tomografie meist als medizinisches Verfahren, das den verletzungsfreien Blick in das Innere des menschlichen Körpers erlaubt. Doch spielen unterschiedliche tomografische Methoden heute in den verschiedensten Forschungsgebieten eine Rolle. Dort ermöglichen sie dreidimensionale Bilder verschiedenster Objekte zu erzeugen – von biologischem Gewebe, technischen Geräten, wie Katalysatoren, Fossilien bis zu antiken Kunstwerken. Forschende des Paul Scherrer Instituts haben nun eine Anlage entwickelt, mit der Röntgentomografie in einer bisher unerreicht hohen Auflösung möglich ist. Dabei geht es um Strukturen, bei denen sich Forschende für Details von einigen Nanometern Grösse interessieren, wie zum Beispiel die feinen Strukturen von Bestandteilen von Zellen oder die Feinstruktur moderner Katalysatoren und Batterien. So feine Details konnten bisher nur mit Hilfe von Elektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden, die aber nicht das Innere der untersuchten Proben abzubilden vermag, wenn diese nicht extrem dünn sind. Es ist somit notwendig, die Proben aufwendig zu präparieren oder gar in Scheiben zu schneiden, wobei Strukturen beschädigt werden können. Zudem fällt es schwer, die Strukturen einschliesslich ihrer eigentlichen Umgebung darzustellen. Anders als mit Elektronenmikroskopie kann man mit harter Röntgenstrahlung zwar dickere Proben durchleuchten, aber die Auflösung beträgt hier bisher nur etwa 150 Nanometer.

Seit vielen Jahren wird an verschiedenen Synchrotronlichtquellen wie beispielsweise der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI Tomografie mit Röntgenlicht betrieben. Bei einer solchen Tomografieuntersuchung wird das Objekt aus verschiedenen Richtungen mit Röntgenlicht so durchleuchtet, dass jedes Mal ein Durchleuchtungsbild – ein sogenanntes Radiogramm – entsteht, ähnlich einer medizinischen Röntgenaufnahme. Mit Hilfe spezieller Computersoftware setzen die Forschenden diese Bilder dann zu einem dreidimensionalen Bild zusammen, in dem die Materialverteilung in drei Dimensionen zu sehen ist.

Hohe Auflösung dank alternativer Tomografiemethode

Einen alternativen Weg haben nun Forschende am PSI gewählt, um eine deutlich höhere Auflösung der tomografischen Abbildungen zu erreichen, denn das einfache Erzeugen eines Radiograms als Durchleuchtungsbild begrenzt die erreichbare Auflösung. Deshalb wurde im hier vorgestellten Verfahren, der ptychografischen Tomografie (erstmals im Jahr 2010 am PSI vorgestellt), ausgenutzt, dass das Röntgenlicht auf dem Weg durch die untersuchte Probe nicht nur geschwächt oder abgelenkt, sondern teilweise auch gestreut wird. Indem man genau vermisst, in welche Richtungen viel und in welche wenig Licht gestreut worden ist, kann man auf die Strukturen der Probe schliessen. Die Forschenden beleuchten nun zur Messung eines einzelnen Streubilds lediglich einen kleinen Bereich der Probe und wiederholen die Messung an verschiedenen Stellen der Probe, sodass am Ende die gesamte Probe abgerastert ist. Das ptychographische Verfahren erlaubt es, schliesslich aus hunderten Streubildern eine einzelne hochaufgelöste Projektion, entsprechend einem Durchleuchtungsbild, zu rekonstruieren. Wie bei allen tomografischen Verfahren wird auch hier die Probe in kleinen Schritten gedreht und aus verschiedenen Richtungen untersucht. Aus der Gesamtheit der so erzeugten Projektionen ergibt sich auch hier das dreidimensionale Bild.

Nanometergenau positioniert

Die Forschenden haben ihr Instrument zunächst an einer künstlichen Probe getestet: einem kleinen Stück Glas, 6 Mikrometer im Durchesser, in dem es mit einer dünnen Metallschicht ausgekleidete Poren gab. Bei dieser Messung konnten sie eine räumliche Auflösung von 16 Nanometern erreichen – und damit einen Weltrekord. Man befindet sich hier in einem Abbildungsbereich, der eine Brücke zwischen konventioneller Röntgentomografie und Elektronentomografie schlägt. Die Auflösung ist sehr hoch, zugleich ist aber die Probendicke und damit das untersuchte Volumen ebenfalls verhältnismässig gross. Die besondere Herausforderung beim Aufbau der Anlage war, dass die Probe sehr genau positioniert werden muss, betont Mirko Holler, der Projektverantwortliche, denn die Genauigkeit in der Positionierung der Probe musste grösser sein als die zu erreichende Auflösung. Man musste also die Position der Probe während der gesamten Messung auf Nanometer genau kennen, was in einem Tomografiesystem neue Schwierigkeiten mit sich bringt. Die dafür notwendige hochpräzise Positionierung und Positionsmessung erforderte neuartige Experimentieraufbauten, wie sie am PSI entwickelt wurden und mittlerweile an vielen Synchrotronlichtquellen weltweit genutzt werden.

Nur ein Prototyp

Dieser Weltrekord wurde an einer Anlage erzielt, die eigentlich nur ein Prototyp ist. Das endgültige System, das von den Erfahrungen des Prototyps profitieren wird, ist derzeit im Aufbau. Eine wichtige Besonderheit dieser OMNY (tOMography Nano crYo) genannten Anlage wird die Möglichkeit sein, die Probe während der Messung stark zu kühlen. Das Röntgenlicht beschädigt die Proben während der Messung, so dass sich diese langsam verändern gar verformen und so die Messauflösung gerade bei empfindlichen Objekten wie biologischen Materialien leidet, erklärt Holler Dieser Effekt wird dank der Kühlung stark reduziert, so dass wir die Vorteile der Methode für Messungen auch an strahlungssensitiven Materialien nutzen können.

Bis zur Fertigstellung des neuen Mikroskops wird der Prototyp weiterhin für wissenschaftliche Untersuchungen gemeinsam mit Nutzern der SLS eingesetzt. So wurden bisher beispielsweise Materialien wie Kreide, Zement, Solarzellen und Fossilien in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen untersucht.

Text: Paul Piwnicki

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.