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REM-Ästhetik

von Prof. Dr. Jürgen Brickmann

Die Palette der analytischen Methoden in der Chemie, den Lebenswissenschaften, der Materialforschung und anderen ist in den letzten Jahren und Jahrzehnten dramatisch gewachsen. Man kann Monografien darüber schreiben – und das wird auch vielfältig getan – die genauso schnell veralten, wie sie geschrieben wurden. Dennoch: manche Verfahren und Technologien bleiben im Grundprinzip erhalten. Hierzu gehört sicherlich die Mikroskopie: Die Prinzipien der Lichtmikroskopie sind seit mehr als zweihundert Jahren unverändert gültig und daran sollte sich nach Einschätzung aller Spezialisten auch nichts mehr ändern. Dass auch hier die Bücher zumindest überarbeitet werden müssen zeigen die durch den Preis des Bundespräsidenten 2006 ausgezeichneten Arbeiten von Professor Stefan Hell (labor&more berichtete darüber in Ausgabe 05/07). Er wies nach, dass unter bestimmten Voraussetzungen die Auflösung auch bei der Lichtmikroskopie dramatisch erhöht werden kann.

Abb.: Apatit-Gelatine-Nanokomposite in unterschiedlichen Wachstumsphasen
Quelle: Harald Tlatlik und Prof. Dr. Rüdiger Kniep, MPI für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden © eye of science

Doch davon soll hier nicht die Rede sein. In fast allen lichtmikroskopischen Methoden gilt weiterhin, dass die Auflösung durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts(der elektromagnetischen Welle) begrenzt ist: Zwei nahebei einander liegende Objektpunkte können nur dann im Mikroskop voneinander unterschieden werden, wenn ihr Abstand größer ist als die Wellenlänge des Lichts. Die natürliche Konsequenz: die Verwendung von Licht kürzerer Wellenlänge zur Erhöhung der Auflösung. Leichtergesagt als getan. Schließlich erweist sich die Mikroskopie mit Elektronen an Stelle von Photonen („Lichtteilchen“)als praktikabler – wenn ein auch technisch nicht einfachrealisierbarer – Ausweg. Auch diesen Teilchen lässt sich auf der Basis der Quantenphysik eine elektromagnetische Welle zuordnen. Die Wellenlänge gegenüber der von sichtbarem Licht verkleinert sich um etwa 5 Zehnerpotenzen, die Verbesserung der Auflösung (bedingt durch elektronische Bauteile) verbessert sich beim heutigen Stand der Technik um etwa den Faktor eintausend. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Typen von Elektronenmikroskopen: das Transmissionselektronenmikroskop(TEM) und das Rasterelektronenmikroskop(REM).
Beim Ersteren wird die Probe durchstrahlt, es funktioniert also analog zu den meisten Lichtmikroskopen, während beim Letzteren ein fein gebündelter Elektronenstrahl(der Primärstrahl) zielgenau auf das zu untersuchende Objekt gerichtet wird und dann die vom Objektpunkt ausgehenden Elektronen bzw. emittierten Röntgenstrahlen ort aufgelöst im Detektor registriert und zur Bildgenerierung verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich Informationen über die Topografie, über die chemische Natur des Objektmaterials und die Elementzusammensetzung der Objektoberfläche und oberflächennaher Bereiche gewinnen. Elektronenmikroskopische Verfahren haben ihren Eingang in viele Bereiche der Analytik gefunden: Anwendungen reichen von der Grundlagenforschung (siehe Centerfold) über die industrielle Anwendung (Bildserie aus der BASF-Forschung) bis hin zur Spurenanalytik in der Kriminaltechnik (siehe hierzu den Beitrag über die neuen Laboratorien des Bundeskriminalamts, BKA).Die Bilder dieses Beitrags wurden ausnahmslos mit Rasterelektronenmikroskopen gewonnen. Die grundsätzliche Funktionsweise eines solchen Geräts ist im Kastenvereinfacht dargestellt. Grundsätzlich lassen sich mit einem REM nur Schwarzweiss- Bilder auf der Basis unterschiedlicher Elektronenintensitäten generieren. Beispiel hierfür ist eine REM- Aufnahme von Staubteilchen der Ground- Zero Katastrophe. Die Farbgebung bei den meisten anderen Bildern ist das Ergebnis aufwendiger Nachbearbeitung.

Fotos: © Prof. Dr. Jürgen Brickmann