Strahlzeit

Was macht Holz so stabil oder dünne Naturfasern wie Seide so stark belastbar? Ein von Kieler Forschenden entwickeltes Messgerät erlaubt es, im Nano­kos­mos auf die Suche nach Antworten zu gehen.

»Die Geheimnisse der Eigenschaften biologischer und synthetischer Materialien liegen in ihrer nano­sko­pischen Struktur«, sagt Dr. Christina Krywka und platziert mit einer Pinzette eine winzige Holzprobe auf der Apparatur, die in sechs Richtungen aus­richtbar ist. Die Probe muss exakt an der Stelle lie­gen, an der ein Röntgenstrahl am Kieler Messgerät auf wenige Hundert Nanometer Durchmesser, also tausendmal dünner als ein menschliches Haar, fokussiert wird.

In der Probe vorhandene Zellulose-Nanokristalle beugen die gebündelten Strahlen und geben ein sogenanntes Streubild ab, das von einer Röntgen­kamera aufgefangen wird. Je kleiner der Röntgen­strahl ist, umso höher ist die räumliche Auflösung dieses Bildes. Was es preisgibt: die Konzentra­tionen von Komponenten des untersuchten Stoffes, die Vernetzung von k und nicht-kristallinen Strukturen und die Anordnung von Zellwänden. Im Falle des Holzes gibt die Orientierung der Zellulosekristalle Aufschlüsse darüber, warum das natürliche Baumaterial solch eine hohe mechanische Stabilität besitzt.

Möglich macht Untersuchungen dieser Art hoch brillantes Röntgenlicht, das millionenfach inten­siver ist als das in medizinischen Röntgengeräten. Es entsteht im 2,3 Kilometer langen, größ­tenteils unterirdischen PETRA- III-Speicherring des Hamburger DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron). Dort werden elektrisch geladene Teilchen beinahe auf Lichtgeschwindigkeit gebracht. Dabei strahlen sie Licht ab, das als Synchrotronstrahlung an 14 Beamlines (Strahlführungen) für die Erforschung von Materialien eingesetzt werden kann. Am Ende einer solchen Beamline bauten Dr. Krywka und Professor Martin Müller vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik den Nanofokus-Messplatz auf, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Die Krux dabei: Der Röntgenstrahl musste erst einmal auf die erforderliche Größe gebracht werden. In der ersten Betriebsphase verwendeten die Forschenden eine Kombination aus Beryllium-Linsen zur Vorfokussierung und einem Röntgenwellenleiter, der durch einen Kanal einen Strahl von nur etwa hundert Nanometern durchließ. »Das war nicht sehr effizient, da der Wellenleiter nur einen kleinen Teil der vorfokussierten Strahlung nutzbar machte«, sagt Krywka. Den Unterschied Unterschied machten zwei zehn Zentimeter lange, elliptische Spiegel mit einer Beschichtung aus Platin und Rhodium. Sie sind lediglich um 0,2 Grad gekippt und bündeln – horizontal und vertikal ausgerichtet – den Röntgenstrahl praktisch verlustfrei.

»Weltweit ist es nur an wenigen Messplätzen möglich, derartige Streuexperimente mit einem nanofokussierten Röntgenstrahl zu realisieren«,

so Krywka. Deshalb stehen Forschende aus Industrie und Wissenschaft auch Schlange am Kieler Nanofokus-Messplatz, um sich um »Strahlzeit« zu bewerben, die von einer Kommission unabhängiger Fachleute vergeben wird. Auch das Konstruktionsteam des Hightech-Geräts selbst genießen hier keine Vorteile. Es geht häufig um die Entwicklung neuer, leistungsfähigerer Materialien. Nachvollziehen lasse sich beispielsweise auf atomarer Skala, was in einer Metalllegierung passiert, wenn der Herstellungsprozess modifiziert wird.

»Der Messplatz eignet sich aber besonders gut, um von der Natur abzuschauen, wie sie Material optimiert«, so Krywka, die das Instrument jüngst einer prominenten Kollegin, Bundeskanzlerin Dr. Angela Merkel, von Hause aus Physikerin, im Zuge eines offiziellen DESY-Besuchs erklärte. Biologische Stoffe streuen beim Durchleuchten weniger, weil sie häufig nur wenig kristallin sind; hier hilft der stark fokussierte Röntgenstrahl, dennoch detaillierte Informationen herauszubekommen. In Kiel forschen Teams an der Herstellung von Hochleistungsfasern, nach dem Vorbild von Spinnen- und Raupenseide.

Krywka selbst arbeitet daran, kleinste Holzstrukturen ans Licht zu bringen: »Ich möchte wissen, was mit Holz auf Nanoebene passiert, wenn man es hohem Druck aussetzt.« Für ihr Experiment konnte sie fünf Tage kostbare Strahlzeit einwerben. Trotz des »Rennens gegen die Zeit« muss die Physikerin jedoch sehr vorsichtig sein: Kein Haar oder Staubkorn darf beim Installieren auf das Spiegelpärchen gelangen, das mit 200.000 Euro wohl zu den teuren seiner Gattung gehört.

Denis Schimmelpfennig

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