Forschung

Materialien durchleuchten

Petra 3 Halle Cut

Blick in die PETRA III Halle.

Die Wissenschaftler des German Engineering Materials Science Centre (GEMS) des HZG untersuchen mit Häuserblock großen Instrumenten Strukturen, die 10.000fach dünner sind als ein Haar. Sie wollen herausfinden, wie sich Wasserstoff während der Beladung in einem Tank verteilt oder wie sich Werkstoffe während eines Schweißvorgangs verhalten.

Zahlreiche Fragen, die sich nur mit besonderen „Supermikroskopen“ und „Superkameras“ beantworten lassen.

Neben der Zusammenarbeit mit den HZG-Materialforschern unterstützen sie Wissenschaftler unterschiedlichster Fachrichtungen aus aller Welt. Dabei wird auch schon mal das Innere von versteinerten Dino-Eiern sichtbar gemacht.

Werkstoffprobleme lösen mit Supermikroskopen

Im German Engineering Materials Science Centre (GEMS) können die unterschiedlichsten Materialien zerstörungsfrei durchleuchtet und charakterisiert werden. Dazu stellen die Wissenschaftler ihre Instrumente am Synchrotronring PETRA III in Hamburg und am FRM II Reaktor in Garching bei München zur Verfügung.
Die Experten auf dem Gebiet der Photonen und Neutronen beraten und unterstützen nicht nur bei den Experimenten selbst, sondern auch bei der Datenauswertung.

Warum wird Röntgenstrahlung benutzt?

Synchrotronstrahlung entsteht, wenn geladene Teilchen in einem Beschleunigerring (PETRA III am DESY in Hamburg) kreisen: Immer, wenn die fast lichtschnellen Elektronen durch Magnete um die Kurve gelenkt werden, verlieren sie einen Teil ihrer Energie, indem sie einen hochintensiven Lichtstrahl aussenden.

Dieser Lichtstrahl ist ein ideales Werkzeug für Wissenschaftler.
Der Grund: Im Röntgenbereich ist das Licht aus dem Beschleuniger bis zu eine Million Mal heller als die Röntgenröhre in der Arztpraxis. Zudem ist Synchrotronstrahlung fast so gebündelt wie ein Laserstrahl. Da die Wellenlänge dieser Strahlung deutlich kleiner ist als die von sichtbarem Licht, lassen sich nanometerfeine Strukturen und zum Teil sogar Atome erkennen. Forscher nahezu aller Disziplinen nehmen mit Synchrotronlicht ihre Proben unter die Lupe: Metalle ebenso wie Kunststoffe und Eiweißmoleküle.

Warum Neutronen für die Wissenschaft?

Instrument SANS1 in der Neutronenleiterhalle West des FRM II inGarching. [Foto: W. Schürmann, TUM]

Wissenschaftler setzen auf Neutronen, wenn Sie mit Photonen nicht weiter kommen: In viele Metalle dringt Röntgenlicht nur begrenzt ein. Neutronen hingegen können sogar einen kompletten Motorblock durchleuchten. Neutronen sind winzige Atomkernteilchen. Da Neutronen elektrisch neutral sind, können sie tief in ein Material eindringen.
Aus ihren Messdaten schließen die Experten, wie die durchleuchtete Probe im Detail aufgebaut ist. Auf der Grundlage dieses Wissens lassen sich Materialeigenschaften optimieren und neue Werkstoffe maßschneidern.


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Blick ins Detail


Mit Supermikroskopen können Materialien zerstörungsfrei durchleuchtet und charakterisiert werden.


Helmholtz Programm
Setcard Photonen Neutronen

Im Forschungsbereiches “Struktur der Materie” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen" mit.

Steckbrief Institut

Institut Institut für Werkstoffforschung
Abteilungen Strukturforschung an Neuen Werkstoffen: Strukturuntersuchungen an harter Materie. Dies beinhaltet vor allem die Charakterisierung von Werkstoffen und magnetischen Materialien mit Hilfe von Neutronen und Synchrotronstrahlung.

GEMS „German Engineering Materials Science Centre“ : Nutzerplattform für die Forschung mit Synchrotronstrahlung und Neutronen.

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Setcard Photonen Neutronen

Im Forschungsbereiches “Struktur der Materie” der Helmholtz-Gemeinschaft wirkt das Helmholtz-Zentrum Geesthacht am Programm "Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen" mit.

Mit HEMS Motoren verbessern

Die High Energy Materials Science Beamline HEMS nutzt die besonders hohe Röntgen-Energie, um besonders tief in Materialien einzudringen. Forscher durchleuchten am Instrument HEMS z.B. komplette Automotoren. Sie fahnden nach inneren Spannungen, die durch den Herstellungsprozess ins Werkstück geraten sind.

An diesen Stellen könnten Risse entstehen. HEMS bietet die Möglichkeit der Tomographie: Hier drehen die Forscher das Werkstück im Strahl und machen dabei viele Schichtaufnahmen, die sie zu einem 3-D-Bild der Probe zusammensetzen – ähnlich wie der Computertomograph im Krankenhaus räumliche Bilder aus dem Körperinneren von Patienten liefert.

Ein Live-Experiment: Im Röntgenstrahl Metalle fügen

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Dino-Eier im Synchrotron

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Foto: Gabryelalaval/Fotolia

150 Millionen Jahre. So alt waren die fossilen Eier, die in den Photonenstrahl gehalten wurden. Die äußerst wertvollen Dino-Fragmente sollten zerstörungsfrei untersucht werden. Darum wandten sich die portugisischen Dino-Forscher an das GEMS.

Das internationale Forscherteam schloss so eine Lücke in der Evolution der Dinosaurier: Sie fanden dank der Untersuchungen mit Photonenlicht heraus, welche Eigenschaften der Eierschalen geerbt wurden und welche im Laufe der Evolution neu erworben wurden.

Denn die 150-Millionen-Jahre-Eier sahen anders aus, als jüngere 80 Millionen Jahre alte Eier später lebender Saurier. Die detailreichen Bilder zeigen erstmals, dass die Eioberflächen mehr Rippen aufweisen als die jüngeren Eier. Auch besitzen die älteren Eier nur eine einzige äußere Schalenschicht, damit ähneln sie Krokodileiern.

Die 80-Millionen-Jahre-Eier haben hingegen zwei bis drei äußere Schichten, genauso wie heutige Vogeleier. Die Ergebnisse lassen die Forscher sogar auf ein Brutverhalten schließen, wie es heute noch bei Seeschildkröten vorkommt. Diese verscharren ihre Eier in Sandgruben, um sie so vor Räubern zu schützen.


Aktuelles
Tomografische Abbildung einer Mücke [Urheber: Uni Bonn)]

HZG-Wissenschaftler durchleuchten für Bonner Paläontologen 54 Millionen Jahre altes Bernstein. mehr

Zur Original-Veröffentlichung: SCIENTIFIC REPORTS | 3 : 1924 | DOI: 10.1038/srep01924

Unsichbares sichtbar machen


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Interview
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Interview mit HZG-Wissenschaftler Dr. Norbert Schell [Deutschlandfunk] Zum Interview