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NEUES MIKROSKOP ZEIGT DIE WELT IM VERRÜCKTEN DETAIL

Das Transmissionselektronenmikroskop wurde entwickelt, um Rekorde zu brechen. Mit ihrem Elektronenstrahl haben die Wissenschaftler zum ersten Mal viele Arten von Viren entdeckt. Sie haben es benutzt, um Teile biologischer Zellen wie Ribosomen und Mitochondrien zu untersuchen. Damit kannst du einzelne Atome sehen.

Doch Experten haben in jüngster Zeit neue Potenziale für die Maschine erschlossen. “Es war eine sehr dramatische und plötzliche Veränderung”, sagt der Physiker David Muller von der Cornell University. “Es war ein bisschen so, als würden alle Doppeldecker fliegen, und plötzlich gibt es hier einen Jetliner.”

Zum einen hat das Team von Müller einen neuen Rekord aufgestellt. Im Juli dieses Jahres in Nature veröffentlicht, nutzten sie ihren Anwendungsbereich, um die bisher höchstauflösenden Bilder aufzunehmen. Dazu mussten sie spezielle Linsen entwickeln, um die Elektronen besser zu fokussieren, so etwas wie eine “Brille” für das Mikroskop, sagt er. Sie entwickelten auch eine hochempfindliche Kamera, die in der Lage ist, einzelne Elektronen schnell zu registrieren. Ihre neuen Bilder zeigen eine hauchdünne, nur zwei Atome dünne Schicht aus miteinander verbundenen Molybdän- und Schwefelatomen. Sie konnten nicht nur zwischen einzelnen Atomen unterscheiden, sie konnten sie sogar sehen, wenn sie nur etwa 0,4 Angström voneinander entfernt waren, was der halben Länge einer chemischen Bindung entspricht. Sie konnten sogar eine Lücke erkennen, in der ein Schwefelatom im ansonsten sich wiederholenden Muster des Materials fehlte. “Sie könnten dies vor allem tun, weil ihre Elektronen-Kamera so gut ist”, sagt der Physiker Colin Ophus vom Lawrence Berkeley National Lab, der nicht an der Arbeit beteiligt war.

Jeder Punkt in diesem Bild ist ein einzelnes Molybdän- oder Schwefelatom aus zwei sich überlappenden, aber verdrehten, atomdicken Schichten. Das Transmissionselektronenmikroskop der Cornell University, das dieses Bild aufgenommen hat, hat im Juli dieses Jahres den Rekord für hochauflösende Mikroskope gebrochen.DAVID MULLER/CORNELL UNIVERSITY
Jetzt schreit der Rest des Feldes, ihr Zielfernrohr mit ähnlichen Kameras auszustatten, sagt Muller. “Man kann alles Mögliche sehen, was man vorher nicht sehen konnte”, sagt er. Insbesondere untersucht Muller dünne Materialien, ein bis zwei Atome dick, die ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen. So haben Physiker kürzlich entdeckt, dass eine Art von dünnem Material, wenn es auf eine bestimmte Weise geschichtet wird, supraleitend wird. Muller glaubt, dass das Mikroskop helfen könnte, die zugrunde liegenden Mechanismen hinter solchen Eigenschaften aufzudecken.

Wenn es um die Vergrößerung des Miniscule geht, sind Elektronen grundsätzlich besser als sichtbares Licht. Denn Elektronen, die quantenmechanisch wellenförmige Eigenschaften haben, haben tausendfach kürzere Wellenlängen. Kürzere Wellenlängen erzeugen eine höhere Auflösung, ähnlich wie feineres Garn eine komplexere Stickerei erzeugen kann. “Elektronenmikroskope sind so ziemlich das einzige Spiel in der Stadt, wenn man die Dinge auf atomarer Ebene betrachten will”, sagt der Physiker Ben McMorran von der University of Oregon. Das Schmelzen eines Materials mit Elektronen und das Erkennen der durchquerten Elektronen erzeugt ein detailliertes Bild dieses Materials.

Der promovierte Forscher Zhen Chen machte die rekordverdächtigen Bilder auf einem speziell entwickelten Mikroskop an der Cornell University. DAVID MULLER/CORNELL UNIVERSITY
Aber hohe Auflösung ist nicht der einzige Trick der Maschine. In einem kürzlich bei Nano Letters angenommenen Papier hat ein Team um McMorran eine neue Art von Bild entwickelt, das Sie mit dem Mikroskop aufnehmen können. Mit diesem Verfahren können Materialien abgebildet werden, die normalerweise für Elektronen transparent sind, wie beispielsweise leichte Atome wie Lithium. Es sollte es Wissenschaftlern ermöglichen, Lithium-Batterien mit atomaren Details zu untersuchen und zu verbessern.

Es gibt noch mehr. Indem sie eine Eigenschaft des Elektrons messen, die seine Phase genannt wird, können sie tatsächlich die elektrischen und magnetischen Felder im Inneren des Materials abbilden, sagt Fehmi Yasin, ein Physikstudent an der University of Oregon. “Diese Technik kann mehr Informationen aus den Elektronen herausholen”, sagt er.

Diese neuen Fähigkeiten können Wissenschaftlern wie Mary Scott, einer Physikerin an der University of California, Berkeley, helfen, die Nanopartikel untersucht, die kleiner als ein Bakterium sind. Scott hat lange Stunden damit verbracht, diese kleinen unbelebten Klumpen unter einem Elektronenmikroskop zu fotografieren. Mit einem speziellen Gerät neigt sie die Probe vorsichtig, um so viele Winkel wie möglich zu erhalten. Aus diesen Bildern erstellt sie dann ein äußerst präzises 3-D-Modell, das bis auf das Atom genau ist. Im Jahr 2017 kartierten sie und ihr Team die genauen Positionen von 23.000 Atomen in einem einzigen Silber- und Platin-Nanopartikel. Der Sinn solcher akribischer Modelle besteht darin, zu untersuchen, wie einzelne Atome zu einer Eigenschaft des Materials beitragen, wie stark oder leitfähig es zum Beispiel ist. Die neuen Techniken könnten Scott helfen, diese Materialeigenschaften leichter zu untersuchen.

Aber das ultimative Ziel solcher Experimente ist nicht nur das Studium der Materialien. Schließlich wollen Wissenschaftler wie Scott Atome in Legos verwandeln: um sie Stein für Stein zu brandneuen Materialien zusammenzusetzen. Aber schon winzige Veränderungen in der atomaren Zusammensetzung oder Struktur eines Materials können seine Funktion verändern, sagt Scott, und niemand weiß genau, warum. Die Mikroskopbilder können ihnen beibringen, wie und warum Atome lo