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01.10.2020

29.08.2019

Mikroskopische Hochgeschwindigkeitsfilme mit harten Röntgenlaserstrahlen



Eine Forschergruppe hat in Schenefeld bei Hamburg zum ersten Mal Hochgeschwindigkeitsmikroskopie mit harten Röntgenlaserstrahlen durchgeführt. Das Verfahren erlaubt es Forschenden, Prozesse zu beobachten, bei denen Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde auftreten.

So könnten künftig 3D-Filme von schellen Vorgängen im Mikrokosmos aufgenommen werden, für die es interessante industrielle Anwendungen gibt. Während die meisten Anwendungen von Röntgenlasern vor allem die kurze Wellenlänge nutzen, um Bilder mit atomarer Auflösung zu ermöglicht, basiert das neue Verfahren auf der durchleuchtenden Eigenschaft der Strahlen. Die entstehenden Bilder ermöglichen es, die inneren Strukturen komplexer Prozesse wie schnelle Bläschenbildung in Flüssigkeiten zu untersuchen.

Wissenschaftler von European XFEL und des Centers for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg (eine Kooperation zwischen DESY, der Universität Hamburg und der Max-Planck-Gesellschaft) leiteten die in der Zeitschrift Optica veröffentlichte Studie. Beteiligt waren auch Wissenschaftler der P.J. Safárik Universität in der Slowakei, der Universität Lund in Schweden, der Diamond Light Source und des University College London in Großbritannien, des Karlsruhe Institute of Technology KIT und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich.

Für das Experiment wählte das Team die Experimentierstation SPB/SFX (Single Particles, Biomolecules, and Clusters and Serial Femtosecond Crystallography) am European XFEL. Die Forschenden ließen eine mit Wasser gefüllte Glaskapillare mit einem Durchmesser von 300 Mikrometern (300 Millionstel eines Meters) explodieren, indem sie einen hellen optischen Laser darauf fokussierten. Die Explosion filmten sie mit mehreren Röntgenpulsen. Die Aufnahmen zeigen Form, Orientierung und Geschwindigkeit der Wassertropfen und Glasscherben in jedem einzelnen Bild, berechnet mit verschiedenen Methoden.

Die Forschenden verglichen die Auflösung der Bilder, die deutlich bewegte Objekte im Mikrometerbereich erkennen lässt, auch mit einer ähnlichen Studie, die sie an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, durchgeführt hatte. Dort konnten sie ebenfalls Bewegungen mit einer Geschwindigkeit von mehreren Kilometern pro Sekunde aufzeichnen. Bei dem jetzt veröffentlichten Experiment konnten die Forschenden einen besseren Kontrast und eine höherer Auflösung erzielen als an Synchrotron-Lichtquellen.

Mikroskopie mit Röntgenlasern könnte zur Entwicklung widerstandsfähigerer und langlebigerer Materialien genutzt werden. Beispielsweise ließe sich in Zeitlupe beobachten, welche mikroskopischen Prozesse in durch Düsen gespritzten Flüssigkeiten, in neuartigen Spritzen und in mikrofluidischen Systemen stattfinden. Industrielle Prozesse wie die Wasserstrahlkavitation oder das Zerstäuben von Flüssigkeitsstrahlen für Sprays könnten ebenso untersucht werden wie die Hohlraumbildung in Flüssigkeiten und Stoßwellen.

Patrik Vagovic, Hauptautor der Studie und Wissenschaftler am CFEL, bei European XFEL und am Institut für Physik der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, sagte: "Weil der European XFEL mehrere Größenordnungen mehr Photonen pro Puls liefert als jede synchrotronstrahlungsquelle und als einziger Röntgenlaser eine Megahertz-Wiederholrate von harten Röntgenlichtpulsen liefert, können wir die bisherigen Grenzen der Methode erweitern. Bei vielen Proben, bei denen wir vorher nur simulieren konnten, was in kurzen Zeitabschnitten auf mikroskopischer Ebene vor sich geht, hätten wir dann zum ersten Mal ein Werkzeug, um Bewegungen direkt zu beobachten."

Darüber hinaus würde ein Verfahren mit der extrem hohen Leuchtstärke des European XFEL es erlauben, die Probe gleichzeitig aus mehreren Blickwinkeln zu filmen. Eine Probe könnte dann in Zeitlupe, auf mikroskopischer Ebene und in 3D dargestellt werden.

Prof. Adrian Mancuso, leitender Wissenschaftler der Experimentierstation SPB/SFX, sagte: "Dies ist ein wichtiges Verfahren, um Prozesse in Materialien zu beobachten, die weniger als eine Mikrosekunde dauern und bei denen Abstände unter einem Mikrometer relevant sind. Das eröffnet Möglichkeiten für Experimente, die derzeit nirgendwo sonst gemacht werden können."

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Quelle: European XFEL GmbH