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26.09.2021

03.05.2021

Neues Röntgenmikroskop zur Untersuchung von Fragen aus der Energiematerialforschung und den Umweltwissenschaften

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Ein neues Röntgenmikroskop am Energy Materials in situ Lab (EMIL) hat den Betrieb aufgenommen. Es handelt sich um ein Raster-Transmissions-Röntgenmikroskop, das darauf ausgelegt ist, sowohl Probenoberflächen als auch Probenvolumina zu untersuchen. Mit dem weichen Röntgenlicht von BESSY II lassen sich sogar einzelne Elemente und chemische Verbindungen lokalisieren, die räumliche Auflösung liegt unterhalb von 20 Nanometern.

Das Energy Materials in situ Lab (EMIL) ist direkt an zwei Strahlrohre von BESSY II angeschlossen, die intensives Synchrotronlicht für die Forschung bereitstellen. Ein Strahlrohr liefert harte Röntgenstrahlung, das andere weiche Röntgenstrahlung für die Experimente in EMIL. EMIL wird gemeinsam mit der Max-Planck-Gesellschaft (MPG) betrieben.

MYSTIIC: Höhere Präzision und viele Optionen

Nun hat ein HZB-Team am Strahlrohr für weiches Röntgenlicht in der BESSY II-Experimentierhalle ein neues Raster-Transmissions-Röntgenmikroskop (auf Englisch: Scanning Transmission X-ray Microscope oder STXM) aufgebaut. Getauft wurde es MYSTIIC - Microscope for x-raY Scanning Transmission In-situ Imaging of Catalysts.

Filmen während der Katalyse

Im Vergleich zu anderen Röntgenmikroskopen bietet das STXM MYSTIIC an EMIL eine noch höhere Präzision und mehr Optionen beim Abtasten von Oberflächen und beim Durchleuchten (Transmission) von Probenvolumina. Insbesondere wird MYSTIIC künftig auch ermöglichen, chemische Prozesse in Gas/Flüssigkeitszellen zu beobachten. "Man könnte sagen: Wir filmen während der Katalyse, welche Prozesse ablaufen", sagt HZB-Experte Dr. Markus Weigand, der das Instrument betreut.

Noch in Arbeit ist aktuell die Implementation eines Gasmischsystems, welches gemeinsam mit der Abteilung AC des Fritz-Haber-Institutes (FHI) der MPG entwickelt wird, um zu analysieren, wie verschiedene Gase (zum Beispiel CO2, CH4, H2 etc.) die Oberfläche eines Katalysators auf der Nanoskala chemisch verändern. Das neue Mikroskop wird somit wesentlich zum verständnisbasierten Ansatz von CatLab beitragen.

Die Testphase läuft

"Zunächst wollen wir das Instrument mit HZB-Teams oder uns bekannten Nutzern (friendly users) austesten", erklärt Weigand. So wird als Erster der HZB-Forscher Dr. Tristan Petit so genannte MXene mit MYSTIIC untersuchen. MXene können superschnell große Mengen elektrische Energie aufnehmen und speichern. "Wir wollen die Oberflächen von MXene-Partikeln mit dem MYSTIIC abtasten und herausfinden, an welchen Elementen bestimmte chemische Prozesse ablaufen.

Das wird uns helfen, die erstaunlichen Eigenschaften dieser Materialklasse besser zu verstehen", erläutert Petit. Gerade bereitet er mit seinem Team den Einbau von speziellen Probenzellen für Untersuchungen zur Katalyse, Elektrochemie und Elektrokatalyse vor. Auch eine Proben-Heizung bis 1000 °C ist geplant. Zukünftig sollen in Zusammenarbeit mit dem FHI Routinen entwickelt werden, die es ermöglichen dieselben Zellen für elektronenmikroskopische Studien anzuwenden, um Energie- und räumliche Auflösung an dergleichen Probe zusammenzuführen.

Erweiterungen sind möglich

Zug um Zug soll das Instrument erweitert werden. So ist das Mikroskop darauf ausgelegt, mit ptychographischen Verfahren sogar Strukturen von wenigen Nanometern aufzulösen.

MYSTIIC: stark für Energieforschung und Umwelt

An BESSY II gab es bisher zwei Röntgenmikroskope mit stark unterschiedlichen Ausrichtungen. So legt ein anderes STXM (MAXYMUS), das vom MPI-IS betrieben wird, den Fokus auf Magnetismus und Zeitauflösung. Nanoskalige NEXAFS (Near Edge X-ray Absorption Fine Structure) Spektromikroskopie an Energiematerialien (siehe die drei unten eingefügten Bilder) oder Tomographien - zum Beispiel von schockgefrosteten biologischen Zellen - lassen sich in der Gruppe um Prof. Dr. Gerd Schneider untersuchen.

MYSTIIC an EMIL ist insbesondere für Fragen aus der Energiematerialforschung aber auch aus den Umweltwissenschaften geeignet. Externe Nutzer können sich voraussichtlich ab dem ersten Call für 2022 um Messzeit am MYSTIIC an EMIL bewerben.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)