Junge Forschung

Innere Werte von Nanoteilchen

Der Niederösterreicher Georg Haberfehlner forscht an Methoden der Elektronenmikroskopie, die 3-D-Bilder des Inneren von Materialien erzeugen.

Klassische Elektronenmikroskopie reicht nicht, wenn Georg Haberfehlner seine Proben durchleuchtet. Er kombiniert Methoden, um jedes Atom zu sehen.
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Klassische Elektronenmikroskopie reicht nicht, wenn Georg Haberfehlner seine Proben durchleuchtet. Er kombiniert Methoden, um jedes Atom zu sehen.
Klassische Elektronenmikroskopie reicht nicht, wenn Georg Haberfehlner seine Proben durchleuchtet. Er kombiniert Methoden, um jedes Atom zu sehen. – (c) Helmut Lunghammer

Warum er Wissenschaftler geworden ist? „Ich beschäftige mich gern intensiv mit einer Sache“, sagt Georg Haberfehlner. Dass es ihn zur Elektronenmikroskopie verschlagen hat, ist demnach nur logisch. Das Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop am Institut für Elektronenmikroskopie der TU Graz ermöglicht es ihm, Materialien so genau zu untersuchen, dass er buchstäblich jedes einzelne Atom kennt, auch im Inneren des Materials.

Die Methode heißt Elektronentomografie und funktioniert ähnlich wie die aus der Medizin bekannte Computertomografie: Eine Probe wird mit einem Elektronenstrahl von mehreren Seiten durchleuchtet, um ein 3-D-Bild des Inneren zu erstellen. Haberfehlner untersuchte winzige Partikel aus einer Gold-Silber-Legierung, weniger als zehn Nanometer groß, also fünftausend Mal kleiner als die Dicke eines Haares. Für diese Arbeit hat er kürzlich den Fritz-Grasenick-Preis der Österreichischen Gesellschaft für Elektronenmikroskopie erhalten.

Klassische Elektronenmikroskopie bildet die Oberflächen von Materialien ab und liefert gestochen scharfe Schwarzweißbilder, die man aus der Biologie etwa von Insekten oder Mikroorganismen kennt. Haberfehlners Arbeit geht viel weiter: „Bei der Transmissions-Elektronenmikroskopie durchleuchtet man die Probe und bekommt ein zweidimensionales Bild. Es geht darum, aus einer Serie solcher Bilder aus unterschiedlichen Winkeln ein 3-D-Bild zu rekonstruieren.“

 

Was ist wo? Und wie ist das gebunden?

Zur Erstellung der Einzelbilder wird die Probe abgerastert. „Man fokussiert einen Elektronenstrahl bis zu einer Dicke von unter 70 Pikometern, das ist feiner als ein einzelnes Atom, und scannt die Probe Punkt für Punkt, wobei man unterschiedliche Signale aufnehmen kann“, sagt Haberfehlner. Aus der Verteilung der Elektronen lässt sich die Masse der Atome in der Probe berechnen.

Das Mikroskop, an dem Haberfehlner arbeitet, kann aber auch den Energieverlust der Elektronen sowie Röntgenstrahlen messen, die durch den Elektronenstrahl in der Probe entstehen. Daraus lässt sich feststellen, um welches chemische Element es sich handelt und wie es gebunden ist.

Computertomografie und Elektronenmikroskopie sind zwei Gebiete mit langer Tradition, deren Kombination aber technisch hoch komplex ist, sagt Haberfehlner: „Es gibt viele Dinge, die schwierig sind. Das beginnt bei der Probenvorbereitung, zieht sich durch bis zur Datenverarbeitung.“ Durch das Abrastern aus unterschiedlichen Winkeln entstehen große Mengen an Daten, die im Computer sinnvoll zusammengesetzt werden müssen. Dazu kommt, dass die Intensität des Strahls nicht beliebig groß sein darf, um die Probe nicht zu beschädigen, was wiederum auf Kosten der Genauigkeit des Bildes geht.

Es gilt, einen Kompromiss zu finden. Im Idealfall entsteht so das genaueste Bild, das von einem Festkörper möglich ist: Es enthält die Position jedes einzelnen Atoms, um welches Element es sich handelt und wie es chemisch gebunden ist. „Das ist das langfristige Ziel“, sagt Haberfehlner. „Derzeit ist es technisch noch nicht möglich, alle diese Eigenschaften gleichzeitig zu messen.“

So präzise Methoden sind für verschiedene Anwendungen interessant, etwa für die Metallindustrie. Die Verteilung von Elementen in metallischen Legierungen hat Einfluss auf mechanische Eigenschaften. Diese Verteilung kann man mit den von Haberfehlner erforschten Methoden genau abbilden.

Haberfehlners Karriere profitierte nicht nur von seiner Liebe zur intensiven Beschäftigung mit Dingen, sondern auch von seiner Reisefreudigkeit. Während des Studiums absolvierte er ein Auslandsjahr in New York, danach war die Lust für weitere Auslandsaufenthalte da. Seine Dissertation schrieb er in Frankreich, am CEA-Leti in Grenoble, einem Forschungszentrum für Mikroelektronik und Nanotechnologie. Er befasste sich dort mit der Anwendung der Elektronentomografie auf Halbleiter.

Die Analyse von Partikeln aus Gold und Silber ist nur eines der Forschungsprojekte, an denen Haberfehlner arbeitet. Ein weiteres befasst sich mit Plasmonen, das sind resonante Schwingungen von Elektronen an metallischen Nanopartikeln, etwa aus Silber, die wegen ihrer besonderen optischen Eigenschaften etwa für Sensoren oder in der Krebstherapie interessant sind.

„Im Idealfall will man wissen, welche Elemente sich wo im Festkörper befinden und welche Eigenschaften das Material dadurch hat“, sagt Haberfehlner. Das ist der höchstmögliche Anspruch: Mehr lässt sich über ein Objekt nicht erfahren.

ZUR PERSON

Georg Haberfehlner stammt aus Amstetten, Niederösterreich, und studierte Elektrotechnik an der TU Wien. Nach Abschluss des Studiums forschte er vier Jahre in Grenoble am CEA-Leti, einem Forschungsinstitut für Mikroelektronik und Nanotechnologie. Seit Ende 2013 arbeitet er am Zentrum für Elektronenmikroskopie in Graz, einem ACR-Institut. Im Februar 2017 wurde er mit dem Fritz-Grasenick-Preis ausgezeichnet.

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("Die Presse", Print-Ausgabe, 11.03.2017)

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