Blick auf die kleinsten Strukturen
Universität Münster erhält hochauflösendes Elektronenmikroskop
Die enorme Tiefenschärfe wie bei diesem Fliegenauge ist eine der Vorteile der Elektronenmikroskopie.
Kaum vorstellbar klein sind die Strukturen, die mit Hilfe von Elektronenmikroskopen sichtbar gemacht werden. Elemente, die weniger als den millionstel Teil eines Millimeters messen, können inzwischen erfasst werden. Vor 50 Jahren kam an der Universität Münster das erste Elektronenmikroskop zum Einsatz, damals eines der ersten in Deutschland. Im kommenden Jahr erhält das Physikalische Institut gemeinsam mit den Instituten für Mineralogie und Materialphysik eines von insgesamt drei bewilligten energiefilternden Transmissionselektronenmikroskopen (EFTEM) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Der Wert liegt bei rund drei Millionen Mark.
Elektronenmikroskopie der neuesten Generation ist inzwischen für viele Disziplinen zu einem unverzichtbaren Hilfsmittel geworden. Rechtsmediziner nehmen die Oberflächen von Projektilen unter die Lupe, Herzchirurgen lassen künstliche Herzklappen auf ihre Lebensdauer hin untersuchen, Metallkundler betrachten das Verhalten von Hochtemperaturlegierungen. Rund zwei Dutzend Elektronenmikroskope gibt es inzwischen an der Universität Münster. Dabei waren die Anfänge bescheiden. 1950 wurde auf Initiative von Dr. Gerhard Pfefferkorn das erste Transmissionselektronenmikroskop (TEM) am damaligen Institut für Hygiene angeschafft. Das Prinzip eines TEM ist dem eines Lichtmikroskops ähnlich: Statt mit Lichtstrahlen werden dünne Objekte mit Elektronen bestrahlt, die je nach lokalen Eigenschaften des Objekts gestreut werden. Mit einem TEM lassen sich etwa tausendfach höhere Auflösungen als mit einem Lichtmikroskop erzielen. Allerdings bringt der Einsatz von Elektronen einen entscheidenden Nachteil mit sich: Die Objekte müssen im Hochvakuum untersucht werden. Ausgefeilte Präparationsmethoden sind daher nötig, um zum Beispiel wasserhaltigen Proben das Wasser strukturerhaltend zu entziehen, beziehungsweise sie zu "schockgefrieren", ohne dass sich Eiskristalle bilden, erläutert Prof. Dr. Rudolf Reichelt vom Institut für Medizinische Physik.
15 Jahre nach dem ersten TEM wurde das erste Rasterelektronenmikroskop (REM) Europas in Münster in Betrieb genommen. Anders als bei einem TEM werden hier die Objekte nicht durchleuchtet, sondern die Oberfläche mit Elektronen abgetastet. Die hierbei erzeugten Signale steuern die Helligkeit von Bildröhren, ähnlich dem Prinzip eines Fernsehers. Die Präparation ist deutlich einfacher als bei einem TEM, ein Grund dafür, dass inzwischen mehr Raster- als Transmissionselektronenmikroskope in Münster im Einsatz sind. Dabei machen sich die beiden unterschiedlichen Gerätetypen keine Konkurrenz, stellt Prof. Dr. Helmut Kohl vom Physikalischen Institut klar. "Es ist einfach ein anderer Typ, der auf einem anderen Prinzip basiert und andere Informationen liefert", ergänzt Reichelt. Ein weiterer Vorteil der REM ist, dass von jedem abgetasteten Objektpunkt gleichzeitig verschiedene Signale ausgehen, die sich gegenseitig ergänzen können.
In Biologie und Medizin stehen die Anwendung der Elektronenmikroskopie und die Interpretation der mikroskopischen Bilder im Vordergrund. Für die deutlich höheren Vergrößerungen als im Lichtmikroskop braucht es erfahrene Elektronnemikroskopiker, um Strukturen interpretieren zu können. Der Physiker Kohl versucht methodische Fragen zur Elementanalyse zu klären. Da sich im TEM einzelne Atomsorten nicht unterscheiden lassen, müssen die Wissenschaftler auf Umwegen die chemische Zusammensetzung der Proben herausfinden. Dabei wird ausgenutzt, dass Elektronen beim Durchqueren des Objekts je nach Art der Elemente Energie verlieren. Ein elektronenoptisches Prisma spaltet den Elektronenstrahl in die Anteile verschiedener Energie auf, ähnlich wie ein Glasprisma weißes Licht in Farben zerlegt.
So lassen sich die Elektronen passgenau je nach vermutetem Element einsetzen. Diese Methode, die energiefilternde Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM), wurde in Münster erstmals 1986 von Prof. Ludwig Reimer eingesetzt. Ein gewaltiger Schritt, denn bisher konnte nur die Struktur der Proben untersucht werden, nun lässt sich auch deren Zusammensetzung problemlos abbilden.
Mit dem neuen EFTEM, das im kommenden Jahr installiert wird, lassen sich durch einen speziellen Energiefilter bisher nicht erreichbare Auflösungen sogar an kompakteren Proben als derzeit erzielen. Zur Nutzung liegen bisher zehn Anträge aus vier Fachbereichen vor. Dank der gesteigerten Auflösung lassen sich unter anderem Ausscheidungen im Nanometerbereich an Korn- und Phasengrenzen erkennen, die sich bisher dem Auge der Forscher entzogen haben. Vorerst werden sich die Untersuchungen auf neuartige Metalllegierungen, Halbleiter, keramische Werkstoffe und Mineralien konzentrieren.
