Es ist über vier Meter hoch, tonnenschwer und seine Gerätschaften füllen einen ganzen Raum: Das bildfehlerkorrigierte Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop bietet völlig neue Einblicke in die atomare Welt der Materie, und es ist das erste seiner Art. Mit dieser Neuentwicklung findet zugleich das siebenjährige SALVE-Projekt seinen erfolgreichen Abschluss.
Als Akronym steht SALVE für "Sub-Ångstrøm Low-Voltage Electron microscopy" und bezeichnet eine seit 2009 laufende Forschungsinitiative der Universität Ulm zur Entwicklung einer besonders materialschonenden Technologie zur atomar auflösenden elektronenmikroskopischen Abbildung. Projektpartner ist seit Beginn die Heidelberger Firma CEOS GmbH, die auf die Entwicklung elektronenoptischer Korrektursysteme spezialisiert ist, sowie seit 2014 das amerikanisch-niederländische Unternehmen FEI, das weltweit zu den führenden Herstellern von Transmissionselektronenmikroskopen (TEM) zählt. Zu den Gründungspartnern gehörte zudem die Firma ZEISS, die 2014 aus unternehmensstrategischen Gründen ausgestiegen ist. Die Gesamtkosten für die Entwicklung und Konstruktion des Gerätes belaufen sich mittlerweile auf rund 10,6 Millionen Euro. Davon trägt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Hälfte mit gut 5,3 Millionen. Das Land Baden-Württemberg übernimmt rund 3,8 Millionen Euro. Gefördert wurde das SALVE-Projekt zudem von der Carl Zeiss Stiftung, die an der Universität Ulm die Einrichtung einer Stiftungsprofessur für Elektronen- und Ionen-Mikroskopie sowie einer Seniorgastprofessur finanziert hat.
Das neue TEM erlaubt die Abbildung von elektronenstrahlempfindlichen Materialien, ja sogar von Biomolekülen
"Mit der Vollendung dieses Projektes haben wir nach all den großen Anstrengungen endlich unser Ziel erreicht. Das neue SALVE-Mikroskop hat alle Spezifikationen erfüllt, ja sogar übererfüllt! Meine Mitarbeiter und ich sind schon sehr gespannt auf völlig neuartige Einblicke in die Nanowelt der festen Materie", so Projektleiterin Professorin Ute Kaiser, die an der Universität Ulm die Abteilung Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie führt. Das Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskop arbeitet in einem Spannungsbereich zwischen 20 kV bis 80 kV und erlaubt damit die Abbildung von elektronenstrahlempfindlichen Materialien und Biomolekülen, die mit herkömmlichen TEM-Geräten so nicht möglich wären. Als Plattform für die Neuentwicklung dient das Modell TitanTM Themis TEM von FEI, eines der weltweit leistungsfähigsten kommerziellen TEM-Geräte dieser Art.
"Um die bei Niederspannung zusätzlich zu den Öffnungsfehlern auftretenden Farbfehler zu beseitigen, haben wir in langjähriger Entwicklungsarbeit ein spezielles Korrektorsystem entwickelt, das neben dem Öffnungsfehler auch die chromatische Aberration kompensiert und damit die Bildqualität enorm verbessert", erklärt CEOS-Mitgründer Professor Maximilian Haider. Und weiter: "Bisher konnten wir schon mit den öffnungsfehlerkorrigierten Mikroskopen in allen Spannungsbereichen Standards setzen. Jetzt haben wir mit dem SALVE-Gerät in der Niederspannungsmikroskopie eine neue Qualitätsstufe der erreichbaren Auflösung vorgegeben." Ausgestattet mit einem so genannten CS/CC-Korrektor werden damit im SALVE-Mikroskop beide dominanten Bildfehler korrigiert. Bisherige aberrationskorrigierte TEM-Modelle, die mit Mittel- oder Hochspannung arbeiten, sind dagegen nur mit speziellen Korrektoren zur Beseitigung des Öffnungsfehlers ausgerüstet.
Das bildfehlerkorrigierte Niederspannungs-TEM bietet völlig neue Einblicke in die atomare Welt der Materie
Das SALVE-Gerät ermöglicht nicht nur hochauflösende elektronenmikroskopische Abbildungen auf atomarer Ebene, sondern es erlaubt daneben spektroskopische Analysen molekularer Konstellationen, ihrer elektronischen Strukturen und Bindungszustände. Dass das Projekt in Rekordzeit beendet werden konnte - und die Leistungsfähigkeit sogar noch höher ist, als ursprünglich erwartet - ist sicherlich auch der hervorragenden Teamarbeit zwischen den Projektpartnern geschuldet", meint Bert Freitag, Leiter des Produktmarketings im Bereich Materials Science bei der Firma FEI, die das Projekt seit zwei Jahren begleitet. Mit dem SALVE-Mikroskop können nun endlich auch solche elektronenstrahlempfindlichen Proben untersucht werden, die bei höheren Spannungen zerstört werden würden. Dazu zählen nicht nur kohlenstoffhaltige Materialien wie Graphen, das nur eine Atomlage dünn ist, sondern auch bestimmte Biomoleküle", erklärt Professorin Ute Kaiser, die mit ihrem Team im Rahmen des Projektes unter anderem über die Entstehung und Vermeidung von Strahlenschäden forscht. Denn bei herkömmlichen Geräten, die mit einer Spannung zwischen 200 kV bis 300 kV arbeiten, kommt es durch die hohe Energie der Elektronen bei manchen Materialien zum "Herausschlagen" von Atomen, sodass Abbildungen unmöglich werden.
Bis das neue Mikroskopie-Gebäude der Universität Ulm auf dem Oberberghof fertiggestellt ist, das aufgrund des Baus der Straßenbahn notwendig geworden ist, bleibt das SALVE-Gerät in Heidelberg bei CEOS. Finanziert wird der Neubau, in dem auch ein weiteres hochempfindliches Transmissionselektronenmikroskop der Uni ein neues Zuhause finden wird, gemeinsam vom Land Baden-Württemberg, der Stadt Ulm und der Universität. Geplant ist der Umzug für September 2017. Die Ulmer Forscher und ihre Partner können aber schon jetzt zeigen, dass die Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskopie mit dieser neuen Technologie eine vielversprechende Zukunft hat - und zwar sowohl in den Material- als auch in den Lebenswissenschaften. So erlaubt es die neue Technik, atomare Prozesse in ihrer zeitlichen Veränderung abzubilden oder einzelne atomare "Versetzungen; zu beobachten. Spektakulär war beispielsweise die zufällige Entdeckung der weltweit dünnsten Glasschicht, die den Ulmer Forschern bereits 2013 gelang und ihnen sogar einen Eintrag ins Guinness Buch bescherte.
Mit der Vollendung von SALVE wurde ein Stück Mikroskopie-Geschichte geschrieben
"Wir sind sehr stolz darauf, dass es uns mit der Vollendung von SALVE gelungen ist, ein Stück Mikroskopie-Geschichte zu schreiben und damit anzuknöpfen an eine Tradition, die verbunden ist mit den Namen großer deutscher Forscher und Entwickler wie Ernst Abbe und Carl Zeiss", freuen sich die Forscher und Entwickler. Mit im Team ist übrigens auch als Seniorprofessor der Universität Ulm der geistige Vater der elektronenoptischen Aberrationskorrektur, Professor Harald Rose. Ohne dessen wegweisenden theoretischen Vorarbeiten wäre ein Projekt wie SALVE nicht möglich gewesen", meint Kaiser.
Die erfolgreiche Abnahme des neuen Niederspannungs-Transmissionselektronenmikroskops wurde bei der letzten Sitzung des SALVE-Beirates am 21. April in Heidelberg - im Beisein der Drittmittelgeber DFG und MWK - öffentlich bekannt gegeben.
Text und Medienkontakt: Andrea Weber-Tuckermann