Hocheffizient und kostengünstig: Neuartige Polymer-Linsen für Röntgenmikroskope
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben ein neuartiges und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Röntgenlinsen mit Nanometer kleinen Merkmalen und exzellenten Fokussiermöglichkeiten erfunden. Durch den Einsatz dieser fortschrittlichen 3D-Drucktechnik kann eine Linse in weniger als einer Minute hergestellt werden. Die Forscher verwenden dazu ein Polymer mit extrem günstigen röntgenoptischen Eigenschaften, wodurch die Kosten für Prototypen und die anschließende Fertigung stark gesenkt werden können. Die Massenfertigung solcher Linsen und ihr kostenoptimiertes Herstellungsverfahren wird weltweit immer wichtiger.
Das Herstellungsverfahren von Polymer-Linsen. Die Schliffbilder wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop gemacht.
Umut Sanli
3D-Nanodruck dieser neuartigen und weiterentwickelten Röntgenoptiken.
Umut Sanli
Röntgenmikroskope sind faszinierende bildgebende Werkzeuge. Auf einzigartige Weise kombinieren sie eine hohe Auflösung selbst im Nanometerbereich mit einer großen Tiefenwirkung bzw. hohem Kontrast. Zusätzlich ist die Röntgenmikroskopie (auf Englisch X-ray microscopy or XRM) die einzige Technik, bei der man verborgene Merkmale eines Objekts mit hoher Auflösung untersuchen kann – sozusagen ein 3D-Einblick ohne Schneiden, Zerteilen oder gar Zerstören. Mit XRM kann man beispielsweise einen defekten Prozessor eines Computers untersuchen, Mikrometer kleine Maschinen bei ihrer Arbeit beobachten oder Zellorganellen in ihrer natürlichen Umgebung studieren.
Die Fokussierung von Röntgenstrahlen ist jedoch keine leichte Aufgabe und erfordert Optiken mit extrem herausfordernden Geometrien. Aufgrund des komplexen Fertigungsverfahrens nur wenige Nanometer groß kann eine einzelne Linse bis zu mehrere zehntausend Euro kosten.
Wissenschaftler der Abteilung für Physische Intelligenz sowie der Abteilung für Moderne Magnetische Systeme des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben nun eine neue und kostengünstigere Methode zur Herstellung von dreidimensionalen Kinoformen entwickelt – eine Art Sammellinse, die in der Lage ist, Röntgenstrahlung effizient zu fokussieren, um Nanomaterialien sichtbar machen zu können. Sie haben diese sogenannte diffraktive Röntgenoptik im 3D-Nanoprintverfahren gedruckt. „Wir haben einen gepulsten Femtosekunden-Infrarot-Laser und einen Fotolack verwendet, der durch die gleichzeitige Absorption mehrerer Infrarot-Photonen polymerisieren kann, um Strukturen zu schreiben, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind", erklärt Umut T. Sanli. Er ist Doktorand in der Forschungsgruppe Mikro/Nano-Optik, die Teil der Abteilung für Moderne Magnetische Systeme unter der Leitung von Gisela Schütz ist. Sanli ist Hauptautor einer Studie die vor kurzem im Fachmagazin Advanced Materials veröffentlicht wurde. „Auf diese Weise haben wir ein extrem herausforderndes Verfahren zur Herstellung von Röntgenlinsen mit Nanometer kleinen Merkmalen und exzellenten Fokussiermöglichkeiten entwickelt", fügt er hinzu.
Die Röntgenlinsen von XRMs müssen in der Regel jedes Jahr, wenn nicht sogar öfter, aufgrund von Strahlenschäden ausgetauscht werden. Es gibt auch Experimente, die eine Vielzahl von Linsen benötigen, um die extrem hellen Röntgenblitze der neu entwickelten Freie-Elektronen-Laser (FEL) fokussieren zu können. Eine Linse wird in der Regel in einem einzigen Impuls vernichtet. Daher sind Massenfertigung und ertragreiche Fertigungsprozesse weltweit begehrt. „Die Auswahl der richtigen Materialien ist ein entscheidender Teil des Herstellungsprozesses", erklärt Kahraman Keskinbora, der die Mikro/Nano-Optik-Gruppe leitet. Er und sein Team wählten ein Zwei-Photonen-Polymerisations (2PP)-Verfahren, um die Röntgenlinsen herzustellen. „Dabei stellten wir fest, dass die 2PP-Polymere über extrem günstige röntgenoptische Eigenschaften verfügen, die nur mit Beryllium – einem hochgiftigen Element – und Diamant – einem sehr teuren Material – erreicht werden können." Außerdem sind Beryllium und Diamant beide nur sehr schwer in die erforderlichen 3D-Profile im Nanobereich zu formen. „Mit der neuen Erfindung dauert der Druck einer Linse weniger als eine Minute und somit werden die Kosten für die Prototypenentwicklung und anschließende Herstellung von Röntgenlinsen stark gesenkt. Darüber hinaus sind die Polymerlinsen sicher herzustellen und nach der Optimierung ist die Fertigung unkompliziert", betont Hakan Ceylan, Postdoktorand in der Abteilung für Physische Intelligenz, die von Metin Sitti geleitet wird.
"Wir sind einen Schritt weiter gegangen, indem wir mehrere der Objektive in Reihe geschaltet haben. Durch die Integration verschiedener Optiken können wir die Wellenfronten der Röntgenstrahlung effektiv steuern und manipulieren. Mit mehreren hintereinander positionierten Objektiven und anderen Wellenfrontformungselementen können wir diese integrierte Röntgenoptik auch für den sehr harten Röntgenenergiesektor optimieren", prognostiziert Keskinbora. "Es werden also viele neue Forschungsprojekte folgen."
Die Forscher haben ihre Erfindung mit Hilfe der Max-Planck-Innovation zum Patent angemeldet.
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