Elektronenmikroskopie genauer betrachtet – Ein Kavli-Preisträger im Gespräch

Der Kavli-Preis für Nanowissenschaften geht in diesem Jahr an den Physiker Prof. Dr. Maximilian Haider und seine Kollegen Harald Rose, Knut Urban und Ondrej Krivanek. Sie werden für ihre Beiträge zur Entwicklung der Elektronenmikroskopie ausgezeichnet, ein Projekt, das vor 30 Jahren begann. Im Gespräch erzählt er über seine Anfänge, die preisgekrönte Entwicklung, und wie es mit dem Elektronenmikroskop noch weitergehen könnte.

Prof. Dr. Haider, herzlichen Glückwunsch zu Ihrer Auszeichnung mit dem gut dotierten Kavli-Preis! Worum genau handelt es sich bei der Innovation Ihrer Arbeit?
Die Innovation ist ein Korrektursystem zur Kompensation der bei elektronenoptischen Linsen unvermeidbaren sphärischen Aberration. Dieser Fehler wurde bereits vor über 80 Jahren beschrieben und auch die Möglichkeiten, wie dieser Fehler behoben werden kann, wurde vor mehr als 70 Jahren angegeben. Aber alle Versuche seit den 50er Jahren in verschiedenen Ländern blieben erfolglos und deshalb wurde auch die Förderung der Experimente eingestellt. Erst 1997, also circa 50 Jahre später, konnte mit einem Korrektor eine Auflösungsverbesserung im Elektronenmikroskop erzielt werden. Durch eine kontinuierliche Weiterentwicklung bei uns in der Firma CEOS konnte die maximal erreichbare Auflösung in den letzten 20 Jahren um einen Faktor 5 bis 7 verbessert werden. Man kann heute Auflösungen von 0,5 Å – dies entspricht dem Radius des Wasserstoffatoms – erreichen und hat damit ein Werkzeug, um Vorgänge oder Strukturen auf atomarer Ebene zu erforschen. Dies war auch bei der Entwicklung von heute alltäglichen Dingen wie zum Beispiel nichtflüchtiger Speicher oder dem Touchscreen eines Smartphones wichtig.

Wieso hat Sie gerade das Elektronenmikroskop so interessiert oder hätte es andere Optionen gegeben?
Vor meinem Studium machte ich eine Lehre als Augenoptiker, die in diesem Beruf notwendige Kenntnisse haben mich nicht gefordert, daher wollte ich mich mehr auf die Physik konzentrieren. Durch das Physikstudium in Darmstadt kam ich mit der Elektronenoptik in Berührung und dabei bin ich geblieben.

Sie haben vor 30 Jahren mit diesem Projekt begonnen, was waren Ihre Erwartungen damals und wie stehen diese im Vergleich zu den Ergebnissen heute?
Damals habe ich nicht die heute erreichten Ergebnisse erwartet und nur gehofft, einen kleinen Beitrag zur Verbesserung der Elektronenmikroskopie zu schaffen. Die Erwartungen heute sind geprägt von einem besseren Verständnis der Elektronenmikroskopie und deren Begrenzungen, die wir im Laufe der letzten 10 Jahre kennengelernt haben. Deshalb erwarte ich noch weitere kleine evolutionäre Verbesserungen, aber keine großen Sprünge mehr. Dies bedeutet aber nicht, dass wir die weitere Entwicklung aufgeben, sondern dass wir die Kenntnisse bei weiteren elektronenoptischen Systemen für die unterschiedlichsten Anwendungen einbringen. Davon gibt es noch genügend Aufgaben, nicht nur für die Bildgebung, sondern verstärkt für analytische und messtechnische Verfahren.

Was waren die größten Herausforderungen und Hürden während dieser Entwicklung?
Die größten Herausforderungen waren die Stabilisierung des gesamten Elektronenmikroskops. Dass die Bildfehler kompensiert werden können, wurde bereits Ende der Siebzigerjahre gezeigt. Aber die Korrektur der Bildfehler ist wertlos, wenn nicht die Auflösung verbessert wird. Dieser Prozess, die mechanische und elektrische Stabilität so zu verbessern, dass wirklich Bilder von einzelnen interpretierbaren Atomen gemacht werden konnten, hat bei dieser Entwicklung die meiste Zeit eingenommen.

Ihre Errungenschaft hat natürlich einen enormen Wert für die Wissenschaft. Sehen Sie auch private oder industrielle Anwendungsmöglichkeiten in der nahen Zukunft?
Private Anwendungen gibt es nicht, weil diese Systeme zu teuer sind, um diese zu Hause zu verwenden. Diese korrigierten Elektronenmikroskope werden hauptsächlich in der Forschung verwendet. Die Untersuchungen, die damit durchgeführt werden, sind in erster Linie in der Wissenschaft bei der Entwicklung neuer Materialien, aber auch um bekannte Materialien besser zu verstehen und deren Eigenschaften zu verbessern. So werden zum Beispiel diese Geräte bei der Batterieforschung oder auch bei der Forschung von verbesserten Solarzellen benötigt, weil man damit das Verständnis der Prozesse auf atomarer Ebene untersuchen und damit optimieren kann. Auch in der Pharmazie, beziehungsweise Medizin, werden in Zukunft diese Geräte verstärkt eingesetzt, um die Strukturen von Molekülen besser und schneller zu verstehen und aufzuklären.

Was meinen Sie: Wie wird sich die Elektronenmikroskopie in Zukunft weiterentwickeln?
Zukünftig wird der Fokus nicht mehr auf der Höchstauflösung liegen, sondern mehr in Richtung Automatisierung gehen. Die frühere Höchstauflösung ist heute Standard, die entwickelten Methoden sollen von mehr Menschen benutzt werden können und deshalb geht der Weg in Richtung Bedienungsvereinfachung bis hin zur Automatisierung. Aber ganz allgemein: Elektronenmikroskope sind für fast jede Art von Forschung an Materie unersetzlich. Diese Mikroskope werden in der Zukunft noch wichtiger und deshalb noch häufiger eingesetzt werden und die Anwendungen werden verstärkt in Richtung analytischer und messtechnischer Verfahren gehen.


Prof. Dr. Haider

Bildquelle: Bilderfest

Maximilian Haider wurde 1950 in Österreich geboren und ist Gründer und Leiter der Firma CEOS im Heidelberg, deren Korrektoren weltweit in 900 Mikroskopen von Universitäten und Forschungslaboren genutzt werden. Seit 2008 ist er Honorarprofessor am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Mitglied des dortigen Laboratoriums für Elektronenmikroskopie. Mehr zum Laboratorium für Elektronenmikroskopie findet ihr hier.

Artikel zu ähnlichen Themen findet ihr auf unserer Website.

Share.