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Atomen beim Tanzen zusehen: Kongress IAM Nano 2015

Rund 120 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt trafen sich auf dem Fachkongress IAM-Nano vom 8. bis 10. Juli in Hamburg. Organisiert wurde das Treffen der Experten auf dem Gebiet der Elektronen-Mikroskopie von Werkstoffforschern des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG).

Carbon-atome

Die Aufnahme zeigt ein kohlenstoffhaltiges Karbid (P) eingebettet in eine Gamma-Titan Aluminid Legierung in atomarer Auflösung. Blöcke aus Kohlenstoffatomen(B) sind eingebettet in eine Titan-Aluminium Legierung; schematisch ist die kristallographische Anordnung der Atome (grün und rot) in den verschiedenen Bereichen gezeigt. Es ist zu erkennen, dass sich die Anordnung der Atome der Titan-Aluminium Legierung in den Zwischenräumen (A) an die kohlenstoffreichen Bereiche angepasst hat.

Das Elektronenmikroskop fand Mitte des vergangenen Jahrhunderts Eingang in die Wissenschaft. Besonders für das sogenannte Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM), gibt es gewaltige Fortschritte, die jetzt unter anderem auf dem Kongress vorgestellt wurden. Das TEM ist eine spezielle Art des Elektronenmikroskops, das Objekte mit Elektronenstrahlen durchleuchtet. Die versammelten internationalen Top-TEM-Forscher und Anwender zeigten, dass sich durch den technologischen Fortschritt auf diesem Gebiet heute einzelne Atome mithilfe des TEM beobachten lassen.

Der Organisator des Kongresses und HZG-Abteilungsleiter im Teilinstitut Werkstoffphysik, Prof. Dr. Florian Pyczak: „Durch die neuentwickelten Korrektoren für das TEM, die wie eine Brille für das Gerät wirken, gibt es jetzt aufregende Fortschritte und Entdeckungen. Auf dem Kongress wurde zum Beispiel gezeigt, dass sich einzelne Atome beobachten lassen, die von einem angeregten Zustand in den nächsten und zurück wechseln. Es ist, als schaue man Atomen beim Tanzen zu.“

Die Abteilung von Florian Pyczak betreibt am HZG das TEM und untersucht damit Proben von am HZG entwickelten maßgeschneiderten Hochleistungsmaterialien. Das sind zum Beispiel Legierungen aus Titan und Aluminium, die einen Anteil Karbon (Kohlenstoff) enthalten. Mithilfe des HZG-eigenen TEM stehen den Wissenschaftlern jetzt aussagekräftige Bilder zur Verfügung, die ihre neuen Materialien charakterisieren und Informationen zum Beispiel über die Anordnung der Atome liefern. Dazu Florian Pyczak: „ Wir wissen noch nicht, welche Anordnung der Karbon-Atome am geeignetsten ist. Mit den TEM-Bildern können wir das aber besser identifizieren und der Zustand lässt sich später besser reproduzieren.“

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Die Teilnehmer auf dem Kongress in Hamburg

Besonders aufwändig ist die Probenpräparation: Wesentliche Anforderung an eine TEM-Probe ist, dass der zu untersuchende Bereich nur circa 10 bis 100 Nanometer dünn ist. 100 Nanometer bedeutet, dass die Probe nur circa 1.000 Atomlagen dick ist. Zum Vergleich: Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer Haselnuss zu dem der Erde.

Die Auflösungsgrenze für das TEM liegt bei 0,05 Nanometern. Physikalisch lässt sich diese nicht weiter ausweiten. Was sind die nächsten Herausforderungen für TEM-Entwickler? „Wir können heute einzelne Atome betrachten, jetzt geht es darum, die Kontraste zu verbessern. Also ein deutlicheres Bild von den Atomen zu bekommen und einzelne Atomsorten eindeutig unterscheiden zu können“, so Florian Pyczak.

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Prof. Dr. Florian Pyczak
Prof. Dr. Florian Pyczak

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