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Achromatische Röntgenlinse Wie eine winzige „Rakete“ scharfe Röntgen-Mikroskopie erlaubt

Von Dr. Laura Hennemann*

Scharfe Bilder sind das A und O in der Mikroskopie. Für Röntgenmikroskope musste man dafür bisher Lichtstrahlen einer einheitlichen Wellenlänge nehmen, weil polychromatisches Licht sich nicht fokussieren ließ. Nun haben Forscher am Paul-Scherrer-Institut eine Linse entwickelt, mit der sich auch verschiedene Wellenlängen gleichzeitig im Röntgenmikroskop nutzen lassen – Analysen von Nanostrukturen würden damit deutlich einfacher.

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Mikrostruktur aus dem 3-D-Drucker: die refraktive Struktur, die die Forscher neu entwickelt haben und die gemeinsam mit einem diffraktiven Teil eine achromatische Röntgenlinse ergibt, ist knapp einen Millimeter lang (bzw. wie hier im Bild gezeigt: hoch). Aufgestellt erinnert die Form an eine winzige Rakete. Sie wurde per 3-D-Druck aus einem besonderen Kunststoff hergestellt. Hier gezeigt ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Struktur.
Mikrostruktur aus dem 3-D-Drucker: die refraktive Struktur, die die Forscher neu entwickelt haben und die gemeinsam mit einem diffraktiven Teil eine achromatische Röntgenlinse ergibt, ist knapp einen Millimeter lang (bzw. wie hier im Bild gezeigt: hoch). Aufgestellt erinnert die Form an eine winzige Rakete. Sie wurde per 3-D-Druck aus einem besonderen Kunststoff hergestellt. Hier gezeigt ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Struktur.
(Bild: Paul-Scherrer-Institut/Umut Sanli)

Villingen/Schweiz – Egal ob Fotokamera oder Mikroskop: Scharfe Bilder sind in optischen Systemen nur möglich dank so genannter achromatischer Linsen. Diese sorgen dafür, dass verschiedene Lichtfarben – also Licht verschiedener Wellenlängen – den gleichen Fokuspunkt haben. Analog gab es für Röntgenlicht bislang keine achromatischen Linsen, sodass scharfe Röntgenmikroskopie nur mit „einfarbigem“ Röntgenlicht möglich war. Dies bedeutet in der Praxis, dass aus dem Röntgenlicht alle anderen Wellenlängen zunächst herausgefiltert werden müssen, also nur ein kleiner Teil des Lichts effektiv genutzt werden kann und dadurch die Effizienz der Bildaufnahme leidet.

Ein Team von Forschern am Paul-Scherrer-Institut (PSI) hat dieses Problem nun gelöst: Ihnen gelang die Entwicklung einer achromatischen Röntgenlinse. Profitieren wird davon u. a. die industrielle Forschung und Entwicklung beispielsweise von Mikrochips, Batterien und die Materialforschung. Denn mit Röntgenlicht lassen sich viel kleinere Strukturen abbilden als mit sichtbarem Licht.

Das Problem mit der Dispersion

Dass erst jetzt eine achromatische Linse für Röntgenlicht entwickelt werden konnte, mag zunächst erstaunen. Denn achromatische Linsen für sichtbares Licht gibt es bereits seit über 200 Jahren. Diese sind üblicherweise aus zwei Materialien zusammengesetzt. Das Licht gelangt erst durch das eine Material und spaltet sich dabei in seine Spektralfarben auf – wie man es von einem klassischen Glasprisma kennt. Danach wird es durch ein zweites Material geführt, das diesen Effekt wieder umkehrt. „Dispersion“ ist der physikalische Begriff für das Auseinander- oder eben Zusammenlaufen verschiedener Lichtwellenlängen.

„Dieses einfache Prinzip, das im sichtbaren Bereich angewandt wird, funktioniert aber im Röntgenbereich nicht“, erklärt der Physiker Christian David, Leiter der Forschungsgruppe für Röntgenoptik und Anwendungen am Labor für Mikro- und Nanotechnologie des PSI. „Für Röntgenlicht existieren keine Materialien, die sich in den optischen Eigenschaften über breite Wellenlängenbereiche so stark unterscheiden, dass das eine Material den Effekt des anderen wieder aufheben könnte. Man könnte auch sagen: Im Röntgenbereich ist die Dispersion der Materialien zu ähnlich.“

3D-Druck half bei der Lösung

Adam Kubec, Christian David und Marie-Christine Zdora (v. l.) haben gemeinsam mit weiteren PSI-Forschern an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS eine neuartige optische Linse entwickelt: Sie kann Röntgenlicht auch dann auf einen Punkt fokussieren, wenn dieses eine Bandbreite an Wellenlängen aufweist.
Adam Kubec, Christian David und Marie-Christine Zdora (v. l.) haben gemeinsam mit weiteren PSI-Forschern an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS eine neuartige optische Linse entwickelt: Sie kann Röntgenlicht auch dann auf einen Punkt fokussieren, wenn dieses eine Bandbreite an Wellenlängen aufweist.
(Bild: Paul-Scherrer-Institut/Mahir Dzambegovic)

Statt die Lösung also in der Kombination zweier Materialien zu suchen, kombinierten die Forscher zwei verschiedene optische Prinzipien. „Der Clou war, zu erkennen, dass wir unserer diffraktiven Linse eine zweite Linse voranstellen können, die eine refraktive Wirkung hat“, sagt Adam Kubec, Erstautor der neuen Studie. Kubec war bis vor Kurzem Forscher in der Gruppe von David und ist nun Mitarbeiter von XR-Nanotech, einem Spin-off, das aus der Röntgenoptik-Forschung des PSI hervorgegangen ist.

Für die Herstellung von diffraktiven Linsen nutzt die Forschungsgruppe um David etablierte Verfahren der Nanolithografie. Doch für den zweiten Teil der achromatischen Linse, die refraktive Struktur, war eine neue Methode nötig, die erst seit Kurzem verfügbar ist: 3-D-Druck im Mikrometerbereich. Damit realisierte Kubec schließlich eine Form, die entfernt an eine winzige Rakete erinnert.

Funktionstests erfolgreich

Um ihre achromatische Röntgenlinse zu charakterisieren, nutzten die Forscher eine Röntgenstrahllinie an der SLS. Dort wird u. a. eine hoch entwickelte Röntgenmikroskopiemethode namens Ptychografie genutzt. „Normalerweise wird damit eine unbekannte Probe untersucht“, sagt Zweitautorin Marie-Christine Zdora, Physikerin in der Forschungsgruppe von David und Expertin für Röntgenbildgebung. „Wir dagegen haben die Ptychografie genutzt, um den Röntgenstrahl und somit unsere achromatische Linse zu charakterisieren.“ So ließ sich genau ermitteln, wo der Fokus der Röntgenstrahlen bei verschiedenen Wellenlängen liegt.

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Zusätzlich testeten die Wissenschaftler die neue Linse mit einer Methode, bei der die Probe in kleinen Rasterschritten durch den Fokus des Röntgenstrahls bewegt wird. Ändert man die Wellenlänge der Röntgenstrahlen, erscheinen die Bilder mit einer konventionellen Röntgenlinse stark verschwommen, nicht jedoch mit der neuen achromatischen Linse. „Als wir dann über einen breiten Bereich an Wellenlängen ein scharfes Bild der Testprobe erhielten, wussten wir, dass unsere Linse funktioniert“, sagt Zdora.

Kommerzielle Anwendungen in Aussicht

Die neu entwickelte Linse ermöglicht den Sprung von der Forschungsanwendung zu einer Röntgenmikroskopie im kommerziellen Einsatz, beispielsweise in der Industrie. „Synchrotronquellen erzeugen Röntgenlicht von so hoher Intensität, dass man es sich leisten kann, alle Wellenlängen bis auf eine aus dem Strahl herauszufiltern: Es bleibt trotzdem noch genug Licht, um ein Bild zu machen“, erklärt Kubec. Doch Synchrotrons sind Großforschungsanlagen. Bislang erhalten Mitarbeiter aus der industriellen Forschung und Entwicklung so genannte Strahlzeit an Forschungs-Synchrotrons, darunter auch an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI. Und diese Strahlzeit ist rar, kostbar und braucht eine langfristige Planung. „Die Industrie wünscht sich in ihren Entwicklungsprozessen eine schnellere Antwortzeit“, sagt Kubec. „Unsere achromatische Röntgenlinse wird dabei enorm helfen: Sie wird kompakte Röntgenmikroskopie ermöglichen, die Industrieunternehmen auf ihrem eigenen Areal betreiben können.“

Gemeinsam mit XR-Nanotech plant das PSI, die neue Linse zu vermarkten. Entsprechenden Kontakt zu Firmen, die Röntgenmikroskope im Labormaßstab bauen, hätten sie bereits, bestätigt Kubec.

Originalpublikation: A. Kubec, M.-C. Zdora, U. T. Sanli, A. Diaz, J. Vila-Comamala, C. David: An achromatic X-ray lens, Nature Communications, 14. März 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8

* Dr. L. Hennemann, Paul-Scherrer-Institut, 5232 Villigen/Schweiz

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