Einzigartige Einblicke in den atomaren Aufbau von Materialien

Hochleistungsmikroskop sichert Spitzenposition in der Materialforschung

Wie sind Atome in einem Material angeordnet? Welche Bindung haben sie untereinander? Wer Antworten auf diese Fragen kennt, versteht, wie sich Materialien verhalten – und wie sie sich verbessern lassen, um noch stabiler, hitzebeständiger oder leitfähiger zu werden. An der FAU hilft den Wissenschaftlern dabei nun eines der weltweit besten Transmissionselektronenmikroskope. Das Hochleistungsgerät wurde heute zusammen mit dem neuen Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung feierlich von Bernd Sibler, Staatssekretär im Bayerischen Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst, eingeweiht.

„Durch das neue Transmissionselektronenmikroskop und den Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung erschließen sich völlig neue wissenschaftliche Perspektiven mit internationaler Strahlkraft für das Exzellenzcluster ‚Engineering of Advanced Materials‘, für die gesamte Universität und nicht zuletzt für den Forschungsstandort Bayern. Mit der Einweihung des Geräts und des Lehrstuhls gehen wir heute an der FAU einen wichtigen Schritt voran: einen wichtigen Schritt in die wissenschaftliche Zukunft und einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung neuer Materialien für einen verantwortungsvollen Umgang mit unseren natürlichen Ressourcen“, sagte Sibler in seinem Grußwort.

FAU-Präsident Prof. Dr. Joachim Hornegger betonte: „Um Forschungsprojekte auf hohem Niveau durchführen zu können, bedarf es einer Geräteinfrastruktur, die kontinuierlich an den aktuellen Stand der Technik angepasst werden muss. Mit dem Hochleistungsmikroskop und der Berufung von Prof. Spiecker auf den neuen Lehrstuhl wird das Profil der Universität nachhaltig gestärkt – die FAU zeigt einmal mehr, dass sie in der Materialforschung international eine Spitzenposition einnimmt.“

Mit dem Titan Themis3 300, dem ersten Mikroskop dieser Art in Europa, verfügt die FAU jetzt über ein Gerät, mit dem sich atomare Strukturen noch besser darstellen lassen. So können die Forscher nun Atome mit einer Auflösung besser als 0,1 Nanometer studieren und ihre chemische Identität bestimmen. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 50.000 Nanometer dick. Aufgrund einer Elektronenoptik mit speziellen Linsenkorrektoren und einer weitreichenden Ausstattung kann das Mikroskop nicht nur die Position von Atomen hochpräzise vermessen, sondern auch ihre Bindung untereinander analysieren und Stoffe auf atomarer Skala chemisch identifizieren.

Vor allem die Bindungen sind entscheidend, um die elektronischen, optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der Materialien verstehen zu können. Ein sehr neues Themenfeld und ein Forschungsschwerpunkt der Erlanger Wissenschaftler ist dabei die In-situ-Mikroskopie. Dabei werden Materialien und Nanostrukturen im Mikroskop auf kleinsten Längenskalen gezielt verformt, unter Strom gesetzt, erhitzt oder gekühlt und ihre Reaktion darauf in Echtzeit beobachtet. „Indem wir die Reaktion des Materials auf solche gezielten Störungen analysieren, können wir einzigartige Einblicke in den Zusammenhang zwischen der mikroskopischen Struktur und den Eigenschaften eines Materials gewinnen“, sagt Prof. Dr. Erdmann Spiecker, der den neu geschaffenen Lehrstuhl für Mikro- und Nanostrukturforschung leitet. „Das sind grundlegende Erkenntnisse, die genutzt werden können, um in Zukunft die Eigenschaften von Materialien und Werkstoffen gezielt zu verbessern.“

Die Entwicklung neuer Hochleistungsmaterialien ist eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts – sei es für die Energiewende, für Fragen der Mobilität oder für den IT-Bereich. Diese Materialien können helfen, effizientere Solarzellen zu bauen, Gasturbinen zu realisieren, die noch höhere Temperaturen aushalten, oder durch neue Ansätze der Nanoelektronik die Grenzen der Siliziumtechnologie zu überwinden. Dabei werden angesichts zunehmend kleiner Bauteile präzise Einblicke in die Welt der Atome und der dort ablaufenden Prozesse immer wichtiger.

Ermöglicht wurde die Anschaffung des 3,7 Millionen Euro teuren Geräts im Rahmen des Exzellenzclusters Engineering for Advanced Materials (EAM), angesiedelt ist es am neuen Lehrstuhl von Prof. Spiecker. Der Lehrstuhl soll die Rahmenbedingungen für die Forschung in der Weltspitze nachhaltig sicherstellen und auch Studierende und Nachwuchswissenschaftler an die modernen Verfahren der Elektronenmikroskopie heranführen. Aktuell forschen rund 20 Doktorandinnen und Doktoranden aus Physik, Chemie, Werkstoffwissenschaften sowie Chemie- und Bioingenieurwesen im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Graduiertenkollegs auf dem Gebiet der In-situ-Mikroskopie. Zugleich bildet das Mikroskop das Herzstück des CENEM (Center for Nanoanalysis and Electron Microscopy). Das interdisziplinäre Zentrum wurde im Rahmen des Exzellenzclusters EAM gegründet, um kooperative Forschungsarbeiten mit komplementären, hochauflösenden mikroskopischen und analytischen Verfahren zusammenzuführen und neue Möglichkeiten der Materialcharakterisierung zu eröffnen.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Erdmann Spiecker
Tel.: 09131/85-28603
erdmann.spiecker@fau.de

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Alle Bilder: FAU/Harald Sippel