Mikrostruktur aus dem 3-D-Drucker: die refraktive Struktur, die die Forschenden 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.

Neuartige Röntgenlinse erleichtert Blick in die Nanowelt

Publiziert

Gemeinsam mit Spin-off XRnanotech plant das PSI, die neue Linse zu vermarkten

Forschende am PSI haben erstmals eine sogenannte achromatische Linse für Röntgenlicht entwickelt. Damit lassen sich die Röntgenstrahlen auch dann gut auf einen einzigen Punkt fokussieren, wenn sie eine gewisse Bandbreite an Wellenlängen haben. Die neue Linse wird die Erforschung von Nanostrukturen mittels Röntgenstrahlen deutlich erleichtern, schreiben die Forschenden im Fachblatt Nature Communications.

Scharfe Bilder in der Fotografie und in optischen Mikroskopen sind nur möglich dank sogenannter 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 Forschenden am PSI hat dieses Problem nun gelöst: Ihnen gelang die Entwicklung einer achromatischen Röntgenlinse. Profitieren wird davon unter anderem 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.

Komplexer als im sichtbaren Bereich

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.»

Zwei Prinzipien statt zwei Materialien

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

«Das PSI ist bereits seit vielen Jahren weltweit ganz vorne dabei, wenn es um die Herstellung von Röntgenlinsen geht», so David. «Wir versorgen viele Röntgenmikroskope an Synchrotronlichtquellen weltweit mit speziellen Linsen, sogenannten Fresnel-Zonenplatten.» 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.

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», so Kubec. Doch Synchrotrons sind Grossforschungsanlagen. Bislang erhalten Mitarbeitende aus der industriellen Forschung und Entwicklung sogenannte 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 XRnanotech plant das PSI, die neue Linse zu vermarkten. Entsprechenden Kontakt zu Firmen, die Röntgenmikroskope im Labormassstab bauen, hätten sie bereits, bestätigt Kubec.

Test im Röntgenstrahl der SLS

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

Zusätzlich testeten sie 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», freut sich Zdora.

David ergänzt: «Dass wir diese achromatische Röntgenlinse am PSI entwickeln konnten und schon bald mit XRnanotech auf den Markt bringen werden, zeigt, dass hier Forschung gemacht wird, die in die Anwendung kommt – und zwar zeitnah.»

Originalveröffentlichung

  • 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 (online)

EVENTS

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 27.-29. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Ilmac Lausanne

Networking. Forum. Aussteller

Datum: 28.-29. September 2022

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 04.-06. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

IndustrieTag SüdWest

Total Production Day – Wir treffen uns, um zu gewinnen!

Datum: 06. Oktober 2022

Ort: Karlsruhe (D)

IN.STAND

Die Fachmesse für Instandhaltung und Services

Datum: 18.-19. Oktober 2022

Ort: Stuttgart (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25.-27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 15.-18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21.-24. November 2022

Ort: Paris (F)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 23.-24. November 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November-01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

LOGISTICS & AUTOMATION

Schweizer Fachmesse für Logistik und Transport

Datum: 25.-26. Januar 2023

Ort: Zürich (CH)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 14.-16. Februar 2023

Ort: Köln (D)

Global Industrie

Midest - smart Industries - Industrie - Tolexpo - die weltweit grössten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft

Datum: 07.-10. März 2023

Ort: Lyon (F)

ZHAW-IFM Day

Der IFM-Day der ZHAW findet als Begegnungstag für FM-Ausbildung und FM-Praxis statt.

Datum: 10. März 2023

Ort: Wädenswil (CH)

Hannover Messe

TRANSFORMING INDUSTRY TOGETHER

Datum: 17.-21. April 2023

Ort: Hannover (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 25.-27. April 2023

Ort: Stuttgart (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04.-10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Nürnberg (D)

LABVOLUTION

Als europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und die Optimierung von Labor-Workflows bildet die LABVOLUTION das gesamte Spektrum der Laborwelt ab und zeigt neue Wege für Anwenderbranchen auf.

Datum: 09.-11. Mai 2023

Ort: Messegelände Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 27.-30. Juni 2023

Ort: München (D)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 05.-07. September 2023

Ort: Bern (CH)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 26.-28. September 2023

Ort: Basel (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 24.-27. Oktober 2023

Ort: Düsseldorf (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25.-26. Oktober 2023

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Plattform der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz.

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Swisstech

Internationale Fachmesse für Werkstoffe, Komponenten und Systembau

Datum: 16.-19. Januar 2024

Ort: Basel (CH)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 16.-19. April 2024

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 13.-17. Mai 2024

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führenden Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 28. Mai - 07. Juni 2024

Ort: Düsseldorf (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 05.-06. Juni 2024

Ort: Bern (CH)

Bezugsquellenverzeichnis