Die Röntgenmikroskopie spielt eine wesentliche Rolle bei der Untersuchung kleinster Objekte, wie Zellen, Proteinen und Viren, aber auch Mikrochips oder Nanomaterialien. Das Herzstück eines solchen Mikroskops ist die enthaltene Optik, welche hochpräzise sein muss, um bestmögliche Resultate zu erzielen. Mit derzeit verfügbaren Technologien sind kommerzielle Röntgenmikroskope auf eine Auflösung von 50 nm beschränkt. Dies stellt einen echten Engpass im Bereich der Mikroskopie dar – es hindert Forscher daran, neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen, und Hightech-Unternehmen daran, ihr wahres Potenzial auszuschöpfen.
Weltrekord in der Fokussierung von Röntgenstrahlung
Um dieses Problem angehen zu können, sind neuartige Röntgenoptiken erforderlich. Der Grundstein für diese Entwicklung wurde bereits 2013 gelegt, als Dr. Florian Döring, Gründer von XRnanotech, einen Weltrekord aufstellte: mit einer Optik, welche einen Röntgenstrahl auf weniger als 5 nm fokussieren kann (Döring et al. 2013, Opt. Express 21, 19311-19323). Im Jahr 2017 kam Dr. Döring als Wissenschaftler ans Paul Scherrer Institut in Villigen und arbeitete im Labor für Mikro- und Nanotechnologie weiter an der Entwicklung innovativer Optiken. Dabei konnte er auf viel Know-how und bestehende Technologien zurückgreifen, um letztlich im Jahr 2020 XRnanotech als Spin-off des Paul Scherrer Instituts zu gründen.
Von der konventionellen zur nanostrukturierten Optik
Das Geheimnis der neuartigen Optiken, welche eine bis zu zehn Mal höhere Auflösung als konventionelle Optiken ermöglichen, liegt wiederum im Kleinen. Die Röntgenlinsen bestehen aus feinsten Nanostrukturen, welche in einem sehr präzisen Verfahren mittels Elektronenstrahllithografie hergestellt werden. Die ganze Herstellung erfolgt dabei in einem Reinraumlabor, da es zu keinerlei Verunreinigungen der feinen Strukturen kommen darf. Das Endprodukt ist dann ein 1x1 mm grosser Chip, auf welchem die Röntgenlinse aufgesetzt ist.
Die Viren und das Weltall
Die Anwendungsgebiete solcher nanostrukturierten Optiken sind vielfältig. Man kann sie beispielsweise verwenden, um Viren zu charakterisieren. So wurde die Struktur der Spike-Proteine von SARS-CoV-2 an einem Synchrotron, einer Art grossem Röntgenmikroskop, entschlüsselt. Potenzielle neue Medikamente können ebenfalls über dieses Verfahren analysiert werden. Aber auch bei der Untersuchung von Mikrochips oder in der laserbasierten Satellitenkommunikation können solche nanostrukturierten Optiken zum Einsatz kommen.
Nanostrukturen über Röntgenoptiken hinaus
Die Herstellung von Röntgenoptiken ist jedoch erst der Anfang der nanotechnologischen Möglichkeiten. Mittels der bei XRnanotech verfügbaren Technologien können noch viele weitere Nanostrukturen aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden. So werden unter anderem Gold, Nickel, Silizium, Iridium und Diamant verarbeitet. Daraus entstehen dann optische Gitter oder Prüfobjekte zur Bestimmung der Auflösung von micro-CTs. Auch dreidimensionale Nanostrukturen aus Polymeren sind im Portfolio von XRnanotech zu finden.
Mit etwas Kleinem Grosses erreichen
Letztlich haben alle diese Dinge etwas gemeinsam: Sie ermöglichen einen Blick in die Nanowelt. Dort gibt es noch immer viel zu entdecken und neues Wissen zu generieren. Sowohl Forschungsgruppen als auch Hightech-Unternehmen auf der ganzen Welt können zukünftig von XRnanotechs Innovationen auf diesem Gebiet profitieren.