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Videos aus der Nanowelt: Neue Mikroskope zeichnen atomare Bewegungen auf

Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Moderne Rasterkraftmikroskope liefern Bilder von Strukturen, die sogar noch kleiner sind – beispielsweise von Wasserstoffbindungen zwischen Molekülen. Das Problem dabei: Der Scanprozess der Geräte, deren Abkürzung AFM sich von der englischen Bezeichnung atomic-force microscopes herleitet, ist sehr aufwändig und funktioniert aufgrund seiner Langsamkeit nur bei statischen Objekten. Entwickler des MIT haben jetzt ein 2.000 Mal schnelleres Mikroskop entwickelt, das Videos von chemischen Nanoprozessen annähernd in Echtzeit aufnimmt.

„Es ist fantastisch, nun solche Details sehen zu können. Dadurch eröffnen sich enorme Möglichkeiten zur Erforschung der gesamten Welt des Nanobereichs“, sagt Kamal Youcef-Toumi, Professor für Maschinenbau am MIT. Um die Fähigkeiten des neuen AFM zu demonstrieren, scannten er und seine Kollegen unter anderem eine 70 mal 70 Mikrometer große Kalzit-Probe, die zunächst in demineralisiertes Wasser und dann in Schwefelsäure eingelegt wurde. Am Bildschirm ließ sich beobachten, wie die Säure den Kalzit zersetzte und sich dabei in nanometer-große Vertiefungen fraß, um das Material Lage für Lage entlang seiner Kristallstruktur abzutragen. Der ganze Vorgang dauerte nur wenige Sekunden, war aber trotzdem als hochaufgelöstes Video mitzuverfolgen. Die technische Grundlage dafür lieferte die Doktorarbeit von Iman Soltani Bozchalooi.

Bilder entstehen nach dem Blindenschrift-Prinzip

Konventionelle AFM brauchen bis zu zehn Minuten pro Scan

Rasterkraftmikroskope sammeln ihre Daten nach dem Tastprinzip – ähnlich wie blinde Menschen, die Brailleschrift lesen. Eine mikroskopisch kleine Nadel scannt zeilenweise über die Probe und erzeugt auf diese Weise Informationen, die in ein Bild umgesetzt werden. Dabei müssen entweder die Nadel oder die Probe seitwärts sowie Stück für Stück nach unten bewegt werden. Um das Bild nicht zu verwackeln, läuft der Vorgang recht langsam ab: konventionelle AFM schaffen ein bis zwei Zeilen pro Sekunde.

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„Wenn es sich bei der Probe um etwas Statisches handelt, sind acht bis zehn Minuten Scanzeit für ein Bild kein Problem. Stellen Sie sich aber mal vor, Sie scannen ein sich veränderndes Material sehr langsam von oben nach unten. Wenn Sie am Ende angekommen sind, hat sich die Probe transformiert und das Bild ist verfälscht, weil die gesammelten Informationen über einen Zeitraum gedehnt wurden“, erklärt Youcef-Toumi. Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, hatten andere Forschergruppen bereits beweglichere und deshalb schnellere Probenhalter entwickelt, die den Scanprozess beschleunigen. Da diese aber zugleich kleiner sind und damit nur eine geringere Fläche abtasten können, ist kein Herauszoomen zur Untersuchung übergeordneter Strukturen möglich, sagt Bozchalooi. Das sei so, als wenn jemand ohne Ortskenntnis irgendwo in den USA lande und zu seiner Orientierung lediglich die Straßenblöcke im direkten Umkreis bis zu einer gewissen Höhe hin anschauen dürfe. „Auf diese Weise können Sie sich niemals ein Bild des großen Ganzen machen.“

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Einheit aus zwei Scannern für hohe Geschwindigkeit

Neues MIT-Mikroskop schafft über 4.000 Zeilen pro Sekunde

Deshalb erarbeitete er einen schnellen Scanprozess, mit dem sich auch größere Proben abtasten lassen. Dessen Funktionsprinzip beruht auf dem Zusammenspiel eines kleinen, schnellen Scanners mit einem größeren, langsameren. Bisherige Versuche, diese Bauart zu nutzen, scheiterten am Zusammenspiel der beiden Scanner. Denn die Bewegungen des einen störten jeweils die Präzision des anderen. Zudem ist es schwer, beide Scanner als Einheit mit allen anderen Komponenten des Mikroskops interagieren zu lassen ohne dass für jeden Scanvorgang eine große Reihe von Anpassungen und Nachjustierungen nötig wäre.

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Um diese Hürde zu überwinden und die Benutzung des AFM zu vereinfachen, entwickelte Bozchalooi Kontrollalgorithmen. Diese sorgen dafür, dass die beiden Scanner sich nicht mehr gegenseitig durch ihre Bewegungen stören. „Damit arbeiten sie synchron. Ein Wissenschaftler sieht infolgedessen nur noch ein einzelnes Gerät, das mit Hochgeschwindigkeit großflächig Proben scannt und die Bedienung nicht verkompliziert“, verdeutlicht Bozchalooi. Nach der Optimierung weiterer Komponenten des Mikroskops erreichte das MIT-Team damit eine Geschwindigkeit von über 4.000 Zeilen pro Sekunde, was etwa acht bis zehn Bildern in der Sekunde entspricht. Für die Zukunft ist eine Erhöhung der Bildfrequenz und somit der Qualität auf mindestens 30 Bilder pro Sekunde geplant. Nun müssen die Wissenschaftler nur noch einen Weg finden, neben der Anwendbarkeit auf großflächige Proben auch die Benutzerfreundlichkeit beizubehalten.

Bilder: MIT News – Jose-Luis Olivares
Gif: Youtube – MIT

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