Röntgenblick enthüllt die Ordnung der Nanowelt
Neues Hereon-Verfahren macht feinste Materialstrukturen sichtbar
Ob im Zahnschmelz oder in Nanomaterialien aus Silizium: Oft entscheidet die Ausrichtung winziger innerer Strukturen darüber, welche Eigenschaften ein Material hat. Eine neue Röntgenmethode kann diese Nano-Ordnung sogar dann sichtbar machen, wenn die Strukturen zu klein sind, um sie direkt abzubilden. Entwickelt wurde das Verfahren von einem internationalen Team unter der Federführung des Helmholtz-Zentrums Hereon. Es eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Werkstoffen und biologischen Strukturen. Das Team präsentiert die Studie im Fachjournal Light: Science and Applications.
Bei medizinischen Röntgenaufnahmen entsteht das Bild durch die unterschiedliche Abschwächung der Röntgenstrahlen im Körper. Um Werkstoffe oder biologische Gewebe detailliert zu untersuchen, greift die Fachwelt zu erweiterten Verfahren, die zusätzliche Informationen liefern, etwa der Dunkelfeld-Bildgebung. Sie macht sich zu Nutze, dass Röntgenstrahlen an inneren Grenzflächen und Unregelmäßigkeiten gestreut, also abgelenkt werden. „Aus der Streuung lässt sich viel über innere Strukturen lernen, die man nicht direkt erkennt“, erklärt Hereon-Forscher Sami Wirtensohn, Erstautor der Studie.
Um diese feinen Strukturen sichtbar zu machen, wird bei der Dunkelfeld-Methode der direkte Röntgenstrahl ausgeblendet. Dadurch erfasst der Detektor nur jene Strahlung, die im Inneren der Probe gestreut wird. Bisher zeigt das Verfahren nur, dass solche Strukturen vorhanden sind, nicht jedoch, wie sie räumlich ausgerichtet sind. Dieses Manko kann nun ein Team beseitigen, an der neben dem Hereon Arbeitsgruppen aus Hamburg, München, Wien, Shanghai und Villigen (Schweiz) beteiligt waren. „Wir können die Streuung jetzt auch richtungsabhängig auswerten“, erklärt Wirtensohn. „Dadurch lässt sich herausfinden, wie die Nanostrukturen ausgerichtet sind – und zwar pixelweise und unterhalb der Auflösungsgrenze.“
Einfacher Trick mit großer Wirkung
Der experimentelle Kniff ist erstaunlich simpel und lässt sich mit wenig Aufwand an bestehende Apparaturen anpassen: Zusätzliche Blenden im Strahlengang sorgen dafür, dass die Probe nacheinander aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet wird. Aus der Kombination mehrerer Aufnahmen lässt sich rekonstruieren, wie die inneren Strukturen orientiert sind. Um das Verfahren zu testen, experimentierte das Team am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Dort liefert der Speicherring PETRA III intensive und gebündelte Röntgenstrahlung. An der vom Hereon betriebenen Bildgebungs-Strahllinie P05 untersucht das Team unter anderem nanoporöses Silizium und menschlichen Zahnschmelz mit einer Mineralisationsstörung.
Gerade hier zeigte sich die Stärke des Verfahrens: Die Zahnschmelz-Nanokristalle sind wenige Dutzend Nanometer groß – dennoch ließ sich ihre Ausrichtung erfolgreich messen. „Wir sehen nicht nur, dass etwas streut, sondern auch, wie es orientiert ist“, erklärt Koautorin Dr. Silja Flenner. „Besonders sensitiv sind wir für Strukturen im Bereich von 30 bis 70 Nanometern – also dort, wo eine zerstörungsfreie Untersuchung mit klassischen Bildgebungsverfahren schwierig wird.“ Die Zusatzinformationen über die Ausrichtung von Nanostrukturen könnten in mehrfacher Hinsicht nützlich sein. In der Materialforschung bestimmen sie, wie stabil, leitfähig oder belastbar ein Werkstoff ist – etwa bei porösen Metallen, funktionalen Nanomaterialien oder in der Batterieforschung. Und in der Biomedizin liefern sie Hinweise darauf, wie sich krankhafte Veränderungen auf der Nanoskala äußern, etwa im Zahnschmelz oder in Knochenstrukturen.
So wird im Rahmen des Exzellenzclusters „BlueMat: Water-Driven Materials“ untersucht, wie sich die Verteilung und Dynamik von Wasser in Materialien durch nanoskalige Strukturen maßgeblich bestimmen lassen. Dieses Verständnis ist nicht nur für die Entwicklung funktionaler Materialien entscheidend, sondern liefert auch grundlegende Erkenntnisse für angrenzende Forschungsfelder. Erst die präzise Kenntnis struktureller Eigenschaften bis hinunter zur Nanoskala ermöglicht es, Prozesse in modernen chemischen Reaktoren realistisch zu modellieren, fundiert zu verstehen und gezielt zu optimieren
Finanzierung
Die Arbeit wurde durch den ERC-Consolidator-Grant (Prof. Julia Herzen, TUM, DEPICT, PE3, 101125761) und durch den ECI-Pathfinder (1MICRON, 101186826) finanziell unterstützt. Darüber hinaus wurde diese Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsanlage SFB 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme“ (Projektnummer 192346071), dem SFB 1615 „SMART REACTORS – Smarte Reaktoren für die Verfahrenstechnik der Zukunft“ (Projektnummer 503850735) sowie im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern – BlueMat: Water-Driven Materials – EXC 3120/1 – 533771286.
German Engineering Materials Science Centre (GEMS)
Das German Engineering Materials Science Centre (GEMS) des Instituts für Werkstoffphysik ist die zentrale Nutzerplattform des Hereons mit einer weltweit einzigartigen Infrastruktur für die komplementäre Forschung mit Photonen und Neutronen. Die Instrumente, die Synchrotronstrahlung verwenden, werden an der Außenstelle am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY in Hamburg betrieben, die Instrumente, die Neutronen nutzen, befinden sich an der Außenstelle am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum MLZ am Forschungsreaktor FRM II in Garching bei München.
Spitzenforschung für eine Welt im Wandel
Das Ziel der Wissenschaft am Helmholtz-Zentrum Hereon ist der Erhalt einer lebenswerten Welt. Dafür erzeugen rund 1000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Wissen und erforschen neue Technologien für mehr Resilienz und Nachhaltigkeit – zum Wohle von Klima, Küste und Mensch. Der Weg von der Idee zur Innovation führt über ein kontinuierliches Wechselspiel zwischen Experimentalstudien, Modellierungen und künstlicher Intelligenz bis hin zu Digitalen Zwillingen, die die vielfältigen Parameter von Klima und Küste oder der Biologie des Menschen im Rechner abbilden. Damit wird interdisziplinär der Bogen vom grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis komplexer Systeme hin zu Szenarien und praxisnahen Anwendungen geschlagen. Als aktives Mitglied in nationalen und internationalen Forschungsnetzwerken und im Verbund der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt das Hereon mit dem Transfer der gewonnenen Expertise Politik, Wirtschaft und Gesellschaft bei der Gestaltung einer nachhaltigen Zukunft.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Sami Wirtensohn
Wissenschaftler
E-Mail: sami.wirtensohn@tum.de
Originalpublikation:
https://doi.org/10.1038/s41377-026-02263-z
Weitere Informationen:
https://Hereon-Institut für Werkstoffphysik
https://hereon.de/cms60/institutes/materials_physics/index.php.de
https://Exzellenzcluster: “BlueMat: Water-Driven Materials”
https://www.tuhh.de/bluemat/homepage
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