Röntgenblick enthüllt die Ordnung der Nanowelt - Neues Hereon-Verfahren macht feinste Materialstrukturen sichtbar.

Ob im Zahnschmelz oder in Nanomaterialien aus Silizium: Oft entscheidet die Ausrichtung winziger innerer Strukturen darüber, welche Eigenschaften ein Material hat. Eine neue Röntgenmethode kann diese Nano-Ordnung sogar dann sichtbar machen, wenn die Struk-turen zu klein sind, um sie direkt abzubilden. Entwickelt wurde das Verfahren von einem internationalen Team unter der Federführung des Helmholtz-Zentrums Hereon. Es eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung von Werkstoffen und biologischen Strukturen. Das Team präsentiert die Studie im Fachjournal Light: Science and Applications.

Bild: Streuung an einer Teststruktur. Durch das neue Verfahren lässt sich nicht nur der Ort der Streuung (unten rechts), sondern auch die Ausrichtung der Strukturen (oben links) messen. Die Ausrichtung kann sich im Bild farblich dargestellt werden. Grafik: Sami Wirtensohn

Bei medizinischen Röntgenaufnahmen entsteht das Bild durch die unterschiedliche Abschwächung der Röntgenstrahlen im Körper. Um Werkstoffe oder biologische Gewebe detailliert zu untersuchen, greift die Fachwelt zu erweiterten Verfahren, die zusätzliche Informationen liefern, etwa der Dunkelfeld-Bildgebung. Sie macht sich zu Nutze, dass Röntgenstrahlen an inneren Grenzflächen und Unregelmäßigkeiten gestreut, also abgelenkt werden. „Aus der Streuung lässt sich viel über innere Strukturen lernen, die man nicht direkt erkennt“, erklärt Hereon-Forscher Sami Wirtensohn, Erstautor der Studie. 

Bild: Streuung am menschlichen Zahnschmelz mit Mineralisationsstörung (MIH). Durch die neue Methode lässt sich die Orientierung der Kristalle im Schmelz bestimmen, die entscheidend zu dessen Stabilität und Funktionalität beiträgt. Grafik: Sami Wirtensohn

Um diese feinen Strukturen sichtbar zu machen, wird bei der Dunkelfeld-Methode der direkte Röntgenstrahl ausgeblendet. Dadurch erfasst der Detektor nur jene Strahlung, die im Inneren der Probe gestreut wird. Bisher zeigt das Verfahren nur, dass solche Strukturen vorhanden sind, nicht jedoch, wie sie räumlich ausgerichtet sind. Dieses Manko kann nun ein Team beseitigen, an der neben dem Hereon Arbeitsgruppen aus Hamburg, München, Wien, Shanghai und Villigen (Schweiz) beteiligt waren. „Wir können die Streuung jetzt auch richtungsabhängig auswerten“, erklärt Wirtensohn. „Dadurch lässt sich herausfinden, wie die Nanostrukturen ausgerichtet sind – und zwar pixelweise und unterhalb der Auflösungsgrenze.“

Einfacher Trick mit großer Wirkung

Der experimentelle Kniff ist erstaunlich simpel und lässt sich mit wenig Aufwand an bestehende Apparaturen anpassen: Zusätzliche Blenden im Strahlengang sorgen dafür, dass die Probe nacheinander aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet wird. Aus der Kombination mehrerer Aufnahmen lässt sich rekonstruieren, wie die inneren Strukturen orientiert sind. Um das Verfahren zu testen, experimentierte das Team am Forschungszentrum DESY in Hamburg. Dort liefert der Speicherring PETRA III intensive und gebündelte Röntgenstrahlung. An der vom Hereon betriebenen Bildgebungs-Strahllinie P05 untersucht das Team unter anderem nanoporöses Silizium und menschlichen Zahnschmelz mit einer Mineralisationsstörung. 

Gerade hier zeigte sich die Stärke des Verfahrens: Die Zahnschmelz-Nanokristalle sind wenige Dutzend Nanometer groß – dennoch ließ sich ihre Ausrichtung erfolgreich messen. „Wir sehen nicht nur, dass etwas streut, sondern auch, wie es orientiert ist“, erklärt Koautorin Dr. Silja Flenner. „Besonders sensitiv sind wir für Strukturen im Bereich von 30 bis 70 Nanometern – also dort, wo eine zerstörungsfreie Untersuchung mit klassischen Bildgebungsverfahren schwierig wird.“ Die Zusatzinformationen über die Ausrichtung von Nanostrukturen könnten in mehrfacher Hinsicht nützlich sein. In der Materialforschung bestimmen sie, wie stabil, leitfähig oder belastbar ein Werkstoff ist – etwa bei porösen Metallen, funktionalen Nanomaterialien oder in der Batterieforschung. Und in der Biomedizin liefern sie Hinweise darauf, wie sich krankhafte Veränderungen auf der Nanoskala äußern, etwa im Zahnschmelz oder in Knochenstrukturen. 

Für den Exzellenzcluster „BlueMat: Water-Driven Materials“ sind die Erkenntnisse von zentraler Bedeutung, da die Verteilung und Dynamik von Wasser in Materialien maßgeblich von nanoskaligen Strukturen abhängt. Die feinsten Materialstrukturen mit dem neuen Verfahren sichtbar zu machen, ist für die Entwicklung funktionaler Materialien entscheidend. Außerdem liefert das neue Verfahren grundlegende Erkenntnisse für angrenzende Forschungsfelder. Erst die präzise Kenntnis struktureller Eigenschaften bis hinunter zur Nanoskala ermöglicht es, Prozesse in modernen chemischen Reaktoren realistisch zu modellieren, fundiert zu verstehen und gezielt zu optimieren.

Publikation

Directional dark field for nanoscale full-field transmission X-ray microscopy, light: science & applications, https://www.nature.com/articles/s41377-026-02263-z 

Finanzierung

Die Arbeit wurde durch den ERC-Consolidator-Grant (Prof. Julia Herzen, TUM, DEPICT, PE3, 101125761) und durch den ECI-Pathfinder (1MICRON, 101186826) finanziell unterstützt. Darüber hinaus wurde diese Arbeit gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsanlage SFB 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme“ (Projektnummer 192346071), dem SFB 1615 „SMART REACTORS – Smarte Reaktoren für die Verfahrenstechnik der Zukunft“ (Projektnummer 503850735) sowie im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern – BlueMat: Water-Driven Materials – EXC 3120/1 – 533771286.

Weitere Informationen und Links

• TUM, Professur für Physik der Biomedizinischen Bildgebung, Prof. Julia Herzen
• Exzellenzcluster: “BlueMat: Water-Driven Materials”
• DESY-Forschungszentrum
• PSI, Center for Photon Science
• Medizinische Universität Wien
• Fraunhofer IAPT
• Institut für Werkstoffphysik

Kontakt zum Artikel: Sami Wirtensohn, Institut für Werkstoffphysik, https://www.ph.nat.tum.de/bip/people/sami-wirtensohn/, Tel.: +49 (0)4152 87-1060

Originalartikel: https://www.hereon.de/communication_media/news/120850/index.php.de 

Quelle: Technische Universität München - Helmholtz, Fundamental Science for Health, Forschung, Physik 

Grafiken: Sami Wirtensohn