Schärfer dank Schwingungsdämpfung Das Hochleistungsmikroskop am Bungee-Seil

Moderne Mikroskope sind nicht nur hochpräzise sondern auch extrem sensibel. Damit sie selbst einzelne Atome abbilden können, darf nichts wackeln. Forscher der TU Wien haben nun eine ungewöhnliche Methode entwickelt, ihr Mikroskop gegen störende Schwingungen zu schützen: indem sie es an Bungee-Seilen aufhängen. Selbst Vibrationen durch die nahegelegene U-Bahn sind nun kein Problem mehr für die Bildqualität.

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Wien/Österreich – Sie gehören zu den präzisesten Messgeräten, die es heute gibt: Hochleistungsmikroskope erzeugen Bilder einzelner Atome, indem sie eine extrem feine Nadelspitze über eine Oberfläche bewegen. Die Position dieser Spitze muss dabei mit einer Präzision im Bereich von Picometern kontrolliert werden – das sind Milliardstel eines Millimeters. „Es ist als müsste man eine Nadel mit der Länge des gesamten Erddurchmessers mit einer Präzision im Millimeterbereich steuern“, erklärt Prof. Michael Schmid vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Jede Art von Vibration kann das Messergebnis unbrauchbar machen, daher ist es eine große technische Herausforderung, aus einem solchen Mikroskop die optimale Leistung herauszuholen. An der TU Wien gelang das mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung, die selbst Schwingungen mit sehr niedriger Frequenz fast vollständig dämpft. Das ganze Mikroskop wurde dazu auf Bungee-Seilen aufgehängt, eine elektronische Steuerung justiert die Aufhängung ständig nach, um das Gerät gerade zu halten. Weil diese neuentwickelte Schwingungsdämpfung so gut funktioniert, wurde sie nun patentiert.

Messen mitten in der Stadt

„Andere Forschungsgruppen, die ähnliche Mikroskope betreiben, stellen sie in speziell schwingungsgedämpften Kellern auf, oder in eigens dafür vorgesehenen Gebäuden“, sagt Prof. Ulrike Diebold. „Wenn ich dann erzähle, dass wir unser Mikroskop in einem Hochhaus mitten in Wien betreiben, direkt über der U-Bahn, ernte ich auf Konferenzen oft nur ungläubige Blicke.“

Das leistungsfähige Mikroskop an der TU Wien verbindet Rastertunnelmikroskopie mit Rasterkraftmikroskopie und braucht wegen seiner Empfindlichkeit einen besonders effektiven Schwingungsschutz. „Uns war recht rasch klar, dass herkömmliche Schwingungsdämpfungen für unseren komplizierten Fall nicht ausreichen“, sagt Schmid. „Kommerziell erhältliche Lösungen filtern zwar hochfrequente Schwingungen, aber die niedrigen Frequenzen wird man damit kaum los.“

Mit Bungee-Seilen gegen U-Bahn-Schwingung

Schmid versuchte zunächst, die auftretenden Schwingungen zu analysieren: Schon das Gebäude selbst schwingt mit einer Frequenz von wenigen Hertz – angetrieben vom Wind. Aber auch die U-Bahn regt jedes Mal Schwingungen an, wenn sie unter dem Haus hindurchfährt. Oder Kompressoren im Keller des Instituts, die nach einiger Detektivarbeit als Grund für eine wiederkehrende 20-Hertz-Schwingung entlarvt wurden.

Die Wiener Forscher lösten das Schwingungsproblem schließlich, indem sie das ganze Mikroskop und die Metallkonstruktion, auf der es montiert ist, an die Decke hängten – an Bungee-Seilen, deren elastische Eigenschaften besonders gut geeignet sind, niederfrequente Schwingungen zu dämpfen. Sie wurden in einer speziellen, verwinkelten Anordnung befestigt, um verschiedene Schwingungsrichtungen gleichzeitig dämpfen zu können. Die Vorrichtung schwebt etwa zwei Millimeter über dem Boden, dort sind Abstandssensoren angebracht.

Ändert sich der Abstand, wird automatisch nachjustiert, indem einer von drei verschiedenen Elektromotoren an zusätzlichen Bungee-Seilen zieht. „Das ist wichtig, weil es während der Experimente zu Gewichtsverlagerungen kommt“, erklärt Schmid. „Wir verwenden flüssigen Stickstoff, um unsere Proben zu kühlen. Der Stickstoffvorrat befindet sich direkt am Mikroskop, wenn er verdampft, wird er leichter – die Gesamtkonstruktion muss aber exakt horizontal bleiben.“

Patent für perfekte Bilder

Mit der speziellen Vibrationsdämpfung wurden bereits zahlreiche wissenschaftliche Messungen erfolgreich durchgeführt, mehrere wissenschaftliche Publikationen wurden überhaupt erst durch die Schwingungsdämpfung möglich. Nun hat das Forscherteam die Erfindung mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien in Österreich patentiert – eine internationale Anmeldung wurde bereits durchgeführt. „Wir hoffen natürlich, dass auch andere Institutionen unsere Idee aufgreifen und ebenfalls ihre Ergebnisse so drastisch verbessern können wie wir“, sagt Schmid.

Mit ihrer Spezialaufhängung gelang es den Wissenschaftlern, die Möglichkeiten des Hochleistungsmikroskops voll auszuschöpfen – trotz des auf den ersten Blick ungünstigen Standortes. „Wir hätten sonst in ein anderes Gebäude ausweichen müssen, aber das hätte wiederum andere Nachteile mit sich gebracht“, sagt Diebold. „So hätten wir anderswo keinen so leichten Zugang zu flüssigem Stickstoff und flüssigem Helium – die Infrastruktur für unsere Messungen ist eben genau hier im Freihaus der TU Wien mitten in der Stadt optimal, wo aber eben die Vibrationsverhältnisse alles andere als optimal sind.“

* Dr. Florian Aigner: Technische Universität Wien, 1040 Wien

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