Helmholtz-Gemeinschaft Geschaeftsbericht 2015

Energie I Erde und Umwelt I Gesundheit I Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr I Schlüsseltechnologien I Struktur der Materie 33 und Funktionalisierung von nanostrukturierten Materialien und Nanopartikeln erschließen. Neue Prozesstechniken zu ihrer Herstellung und Strukturierung sollen es ermöglichen, Nanoma- terialien mit gezielt eingestellten Eigenschaften herzustellen. Advanced Engineering Materials Im Fokus steht die Entwicklung maßgeschneiderter Leichtbau- legierungen und Prozesstechnologien für unterschiedlichste Anwendungsfelder wie Extrem-Leichtbau, hitzebeständige Hochleistungsbauteile sowie medizinische Implantate. Neuartige funktionalisierte Materialien kommen insbesondere in Membran- technologien für die CO2-Abtrennung und Wasserreinigung sowie in der Wasserstoffproduktion und -speicherung zum Einsatz. BioSoft Die Eigenschaften und Wechselwirkungen der zugrundeliegen- den Moleküle bestimmen auch die Eigenschaften und Funkti- onen eines Systems, beispielsweise einer lebenden Zelle oder eines Zellverbundes. Ihre Erforschung soll Erkenntnisse für die Herstellung von Nanofunktionsmaterialien, die kontrollierte Beein- Die neue Methode gilt als ein Kunststück: Mit der Aufnahme eines ultrahochauflösenden Elektronenmikroskops lassen sich Kristallstrukturen in allen drei Dimensionen atomgenau rekonstruieren. Das haben Wissenschaftler des Forschungs- zentrums Jülich, des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) sowie der chinesi- schen Xian Jiaotong Universität geschafft. Mit dem Verfahren lassen sich gerade strahlungsempfindliche Proben vollstän- dig räumlich erfassen, die sonst durch einen energiereichen Messstrahl rasch zerstört würden. Bei Nanoteilchen bestimmt die Oberfläche die physikalischen und technischen Eigenschaften weit mehr als bei anderen Stoffen. Wissenschaftler haben es nun zum ersten Mal ge- schafft, die räumliche Anordnung der Atome in Nanoteilchen – ausgehend von einer einzigen elektronenmikroskopischen Aufnahme – zu errechnen. Die vergleichsweise kurze Aufnahmedauer könnte es künf- tig sogar ermöglichen, kurzlebige Zwischenschritte chemi- scher Reaktionen zu beobachten. Darüber hinaus erlaubt es das sanfte Messverfahren, auch leichte chemische Elemente nachzuweisen. Für die neue 3D-Messmethode wird die dünne kristalline Probe so im Mikroskop positioniert, dass die Atome an den Knotenpunkten des Kristallgitters genau übereinanderliegen und Säulen entlang der Beobachtungsachse bilden. Diese Atomsäulen sind später nur als helle Punkte auf der mikro- skopischen Aufnahme sichtbar. Ein spezieller Abbildungsmo- dus verbessert noch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. So werden feine Unterschiede sichtbar, die den Forschern ver- raten, wo sich die einzelnen Atome in den Säulen entlang der Strahlrichtung befinden. Für die Rekonstruktion der räumlichen Struktur vergleichen die Wissenschaftler die Aufnahme mit Berechnungen am Compu- ter. Anschließend passen sie den errechneten Modellkristall Schritt für Schritt an, bis die Abbildung mit der elektronen- mikroskopischen Aufnahme optimal übereinstimmt. Um die Eindeutigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu belegen, haben die Wissenschaftler umfangreiche statistische Tests durchgeführt. Diese zeigten auch, dass die Methode nicht nur empfindlich genug ist, um jedes einzelne Atom nachzuweisen: Sie kann auch zwischen den Elementen des Kristalls unterscheiden. Weitere Beispiele aus diesem Forschungsbereich g Forschungszentrum Jülich Chunlin Jia vom Jülicher Ernst Ruska-Centrum arbeitet am Elektronenmikroskop TITAN und ist an der Studie beteiligt. Bild: Forschungszentrum Jülich Energie I Erde und Umwelt I Gesundheit I Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr I Materie I Schlüsseltechnologien DURCHBRUCH IN DER ELEKTRONENMIKROSKOPIE: KRISTALLSTRUKTUR IN DREI DIMENSIONEN

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