Elektronenmikroskopie Physiker erzeugen 3D-Bild aus 2D-Aufnahme

Aus einer einzigen zweidimensionalen Aufnahme haben Forscher die dreidimensionale Struktur eines Kristalls berechnet. Geht nicht? Doch - dank Quantenmechanik.

Forschungszentrum Jülich

Wer mit einer herkömmlichen Kamera ein dreidimensionales Bild erzeugen will, braucht mehr als ein Foto. Er muss den Auslöser mindestens zweimal drücken - und dabei die Kameraposition verändern. Erst die Kombination zweier Perspektiven ermöglicht die Darstellung räumlicher Tiefe. Zumindest in der Nanowelt gilt dieses Grundgesetz der Optik jedoch offenbar nicht.

Wissenschaftler aus Jülich berichten nämlich über eine neue Methode der Elektronenmikroskopie, mit der sie aus einer einzigen Aufnahme die dreidimensionale Struktur eines Kristalls ermitteln können. Das Bild eines ultrahoch auflösenden Mikroskops reiche aus, um den Aufbau von Nanomaterialien auf das Atom genau berechnen zu können, berichtet das Team vom Peter Grünberg Institut im Fachblatt "Nature Materials".

"Dreidimensionale Informationen aus einer einzigen, zweidimensionalen Aufnahme zu gewinnen, scheint auf den ersten Blick unmöglich", sagt Chunlin Jia, Leiter der Studie. Doch das Kunststück sei gelungen, weil das Experiment quantenmechanischen Regeln folge. Aus den Welleneigenschaften der Elektronen könne man die 3D-Daten rekonstruieren.

Elektronenwelle als hochempfindlicher Detektor für Atome

Im konkreten Fall untersuchten die Jülicher Forscher eine dünne Probe Magnesiumoxid. Sie positionierten den Kristall so im Mikroskop, dass sich eine Gitterachse genau parallel zur Beobachtungsachse befand, dem Weg der Elektronen. Dadurch lagen aus Beobachterperspektive stets mehrere Atome des Kristallgitters exakt hintereinander. Jede dieser Atomsäulen war später als heller Punkt auf der mikroskopischen Aufnahme zu sehen - siehe Fotostrecke oben.

"Auf dem Weg durch das Kristallgitter fungiert die Elektronenwelle des Mikroskops als hochempfindlicher Detektor für Atome und wird von jedem einzelnen Atom beeinflusst", erklärt Chunlin Jia. So könne man letztlich ermitteln, wo welche Atome im Gitter positioniert seien.

Um die dreidimensionale Struktur von Proben aufklären zu können, mussten bislang stets mehrere Aufnahmen mit einem Elektronenmikroskop gemacht werden. "Oft sind Dutzende oder gar Hunderte nötig", sagt Andreas Thust. Weil ein Elektronenmikroskop das zu untersuchende Material nicht mit Lichtteilchen (Photonen), sondern mit schnellen Elektronen durchleuchtet, werden Proben dabei über kurz oder lang beschädigt.

Die neue in Jülich entwickelte Methode schont Untersuchungsobjekte, weil sie nur eine einzige Aufnahme erfordert. Das Verfahren eigne sich daher besonders für strahlungsempfindliches Material, das durch den energiereichen Messstrahl rasch zerstört werde, schreiben die Forscher. Dank der vergleichsweise kurzen Aufnahmedauer könne man mit der Methode womöglich sogar kurzlebige Zwischenschritte chemischer Reaktionen beobachten.

Die Aufklärung der räumlichen Struktur von Kristallen gelingt bislang nur für sehr dünne Proben. "Das Maximum liegt bei 30 Atomlagen, was 6 Nanometern entspricht", sagt Thust. Doch das reiche für die Untersuchung der meisten Nanopartikel jedoch völlig aus.

hda



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insgesamt 12 Beiträge
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Seite 1
Layer_8 23.09.2014
1. Scheint...
...sowas wie ein Hologramm zu sein, wenn Interferenzen zu Hilfe genommen werden. Dann unterscheidet sich formell nicht viel von der Wellenoptik. Hologramme sind ja, materialtechnisch gesehen, auch zweidimensional. Für die 3-D Rekonstruktion braucht man halt wieder kohärentes (nicht-thermisches) Licht/Elektronen, was bei Elektronen nicht besonders schwierig ist.
Zitrone! 23.09.2014
2.
Nein, ich glaube nicht, dass das was mit einem Hologramm zu tun hat. Zwar ist die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen quantenmechanisch, aber letztlich passiert hier nicht viel mehr, als dass man den "Schattenwurf" der Atome betrachtet. (Wenn ich den Vorhang vor dem hellen Fenster betrachte, erkenne ich seine 3-dim. Struktur auch auf einen Blick!) Es gehen ja auch Vorannahmen ein, die zusätzliche Informationen liefern, z.B. die Ausrichtung des Kristallgitters. Allerdings erreicht man durch die angefitteten Simulationsrechnungen offenbar eine sehr hohe Genauigkeit - und in dieser Technik dürfte auch der entscheidende wissenschaftliche Erkenntnisgewinn liegen: Wie macht man sowas geschickt?
Layer_8 23.09.2014
3. So gesehen...
Zitat von Zitrone!Nein, ich glaube nicht, dass das was mit einem Hologramm zu tun hat. Zwar ist die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen quantenmechanisch, aber letztlich passiert hier nicht viel mehr, als dass man den "Schattenwurf" der Atome betrachtet. (Wenn ich den Vorhang vor dem hellen Fenster betrachte, erkenne ich seine 3-dim. Struktur auch auf einen Blick!) Es gehen ja auch Vorannahmen ein, die zusätzliche Informationen liefern, z.B. die Ausrichtung des Kristallgitters. Allerdings erreicht man durch die angefitteten Simulationsrechnungen offenbar eine sehr hohe Genauigkeit - und in dieser Technik dürfte auch der entscheidende wissenschaftliche Erkenntnisgewinn liegen: Wie macht man sowas geschickt?
...wäre das dann aber nicht so sensationell. Um Kristalle zu beschreiben, braucht man auf Grund deren Symmetrie ja per se nicht viel Information. Deren Schatten (Strahlenoptik) reicht dann aus, je nach Einfallsrichtung des Lichtes/Elektronen. Den Rest besorgen dann relativ einfache Berechnungen. Dies hier wäre dann nur ein Schattenwurf in viel kleineren Dimensionen, als es bei Licht möglich ist. Quantenmechanik besteht aber prinzipiell aus Amplituden und deren Interferenzen, also sehe ich dieses Experiment als Elektronenholografie.
Zitrone! 23.09.2014
4.
Hm, ich sehe das etwas anders. Ich hatte "Schatten" auch bewußt in Anführungszeichen gesetzt. Die Berechnung des resultierenden Wellenfeldes ist natürlich genuin quantenmechanisch (also im Wesentlichen wohl wellenoptisch) und vermutlich ziemlich tricky. Als Hologramm sehe ich das aber trotzdem nicht. Dazu gehört nach meinem Verständnis ein zweiter ungestörter Strahl, der zur Interferenz und später zur Rekonstruktion des 3-D-Wellenfeldes benötigt wird. Davon ist hier nirgends die Rede.
The.Dreadful.Bard. 23.09.2014
5. .
Es kommt doch nur darauf an, ob in der 2D-Darstellung genügend Informationen über die 3D-Anordnung vorhanden sind. Genau dies leistet aber schon ein Laue-Diagramm (etwa 100 Jahre her).
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