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TU Berlin

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Forschung

Blick in die atomare Welt

Die Zentraleinrichtung Elektronen­mikroskopie der TU Berlin (ZELMI) ist für viele exzellente Forschungsbereiche unverzichtbar geworden. Sie bietet zehn aktuelle Geräte, davon acht Raster­elektronenmikroskope

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Mitte August 2018 riss der Einsturz einer vierspurigen Autobahnbrücke in Genua Dutzende Menschen in den Tod. Als Ursache wurde das Versagen der Eisenbewehrung vermutet. Wasser könnte in die Betonummantelung eingedrungen sein und zur Korrosi-on geführt haben. Ein Materialproblem. Um solche Tragödien künftig zu verhindern, wird an der TU Berlin unter anderem an Schädigungsprozessen bei Baustoffen wie Beton geforscht.

Doch wie erfährt man Details über die kristalline Struktur und weitere Eigenschaften von Bindemitteln? Für eine chemisch-mineralogische Charakterisierung solcher Materialien nutzen die Baustoffforscher um TU-Professor Dr. Dietmar Stephan seit 2017 das G 500, ein Rasterelektronenmikroskop in der ZELMI, der Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie der TU Berlin, die jetzt ihr 40-jähriges Bestehen feiert.

Interne und externe Forschungsbereiche, von der Chemie über Werkstoffe bis zu Werkzeug- und Halbleitertechnologie im Nano-meterbereich, nutzen den Gerätepark der ZELMI, der acht millionenschwere Rasterelektronenmikroskope umfasst. Es ist eines der größten Zentren für Elektronenmikroskopie in Deutschland. Es bietet Rasterelektronenmikroskopie an, Elektronenstrahlmikroana-lytik, Transelektronenmikroskopie, Lichtmikroskopie sowie umfangreiche Präparationsverfahren von der Metallografie bis zur Bearbeitung mit fokussierten Ionenstrahlen.

„Als ich 2004 an die TU Berlin kam, lag das Durchschnittsalter der Geräte bei 25 Jahren“, blickt Dr.-Ing. Dirk Berger zurück. Er ist der Leiter der ZELMI und hat in den vergangenen rund 15 Jahren für eine erhebliche Modernisierung der traditionsreichen Einrichtung gesorgt. Ernst Ruska baute an der TH Berlin 1931 das erste Elektronenmikroskop und erhielt dafür 1986 den Nobel-preis. „Nun stehen hier zehn aktuelle Geräte, acht davon Rasterelektronenmikroskope“, so Berger, „das Durchschnittsalter ist auf fünf Jahre gesunken.“

Dirk Berger (l.) und Jörg Nissen an der Feldemissions-Elektronenstrahlmikrosonde bei der Vorbereitung einer Messung. Die Ap-paratur umgibt ein Magnetfeldrahmen, um jegliche Störungen fernzuhalten, die den Elektronenstrahl ablenken. Schon die Ver-schiebung des Erdmagnetfelds durch einen in der Nähe vorbeifahrenden Lkw genügt, um die Analysen zu verfälschen
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Die Entscheidung verschiedener Nutzer, bereitwillig die Neubeschaffung zu unterstützen, markierte einen Wendepunkt. Die Initialzündung war die Beschaffung des TEM (Transmissionselektronenmikroskop), das eine Auflösung im Bereich atomarer Netz-Ebenen ermöglicht und das aus Mitteln des Exzellenzclusters „UniCat“ finanziert wurde. Für die Bearbeitung der umfangreichen Analysen finanziert „UniCat“ außerdem eine Personalstelle in der ZELMI.

Kurze Zeit später investierte Prof. Dr. Eisebitt seine Berufungsmittel im Rahmen des EFRE-Projekts „Nano-Werkbank“ in das FIB (Focused Ion Beam). Er beschäftigt sich im Institut für Optik und Atomare Physik und als Direktor des Max-Born-Instituts mit Röntgenoptik. Danach trugen viele Professoren und deren Arbeitsgruppen immer wieder unterschiedlich hohe Mittel bei. „Allein die Arbeitsgruppe von Peter Strasser aus der Technischen Chemie unterstützte die Anschaffungen mehrmals mit mehreren Hunderttausend Euro“, so Dirk Berger. „Der wissenschaftliche Leiter der ZELMI, Prof. Dr. Michael Lehmann aus der Physik, und Prof. Dr. Dietmar Stephan, Baustoffe, haben sogar zusammen mit der ZELMI Anträge für in der ZELMI aufgestellte Großgeräte geschrieben. Auch zentrale Mittel sind bereits geflossen, 2017 zum ersten Mal.“ 2019 wird ein weiteres von der DFG finanziertes Großgerät einziehen: ein Raster-Transmissionselektronenmikroskop (STEM) mit EDX und Pixelated-Detektor für die atomare aufgelöste Element- und die sogenannte 4D-STEM-Analyse.

Dirk Berger ist stolz auf diese Entwicklung und er streicht die besondere Bedeutung heraus, die eine solche Einrichtung für die Spitzenforschung heute bei der Bestimmung der Struktur-Eigenschafts-Beziehung moderner Werkstoffe und Funktionsmaterialien hat: „Besonders die umfangreiche finanzielle Beteiligung der Nutzer zeigt, dass die Ausstattung einen großen Bedarf in der exzellenten Zukunftsforschung trifft. Wir unterstützen so mehr als 50 Drittmittelprojekte aus allen Fakultäten. 5000 bis 8000 Nutzerstunden kommen dabei jährlich zusammen. Vom Exzellenzcluster bis zum DFG-Projekt ist alles dabei. In jährlich 130 Abschlussarbeiten und rund 60 Promotionen sind wir ebenfalls eingebunden. Viele Professoren nutzen eine Gruppen-Besichtigung auch, um ihren Studierenden Themen der Analytik zu verdeutlichen.“ Maximal zehn Prozent der Zeit können auch externe Kunden wie öffentliche Einrichtungen und Firmen nutzen. Diese Dienstleistungen werden steuerlich separat abgerechnet über einen TU-eigenen „Betrieb gewerblicher Art“. Und Dirk Berger begrüßt es, den Forschungssupport verstärkt auch anderen Hochschulen anzubieten, denn: „Es wäre unsinnig und unwirtschaftlich, wenn jede Uni ihre eigenen Geräte anschafft.“

Rund 350 Elektronenmikroskope von unterschiedlicher Art und Ausstattung stehen heute in Deutschland, betrieben von mehr als 100 Forschungseinrichtungen. Für den Erfahrungsaustausch sorgt seit 2015 das Netzwerk IGEME, German Network of Electron Microscopy Groups. Sprecher ist Dr.-Ing. Dirk Berger.

Fest-Kolloquium zum 40-jährigen Bestehen

Am 21. November feiert die Zentraleinrichtung Elektronenmikroskopie der TU Berlin ihr 40-jähriges Bestehen. Nach einer Begrüßung durch die TU-Vizepräsidentin Prof. Dr.-Ing. Christine Ahrend und Informationen zur Geschichte von Dr. Dirk Berger hält Prof. Dr. Dagmar Gerthsen, Laboratorium für Elektronenmikroskopie, Karlsruher Institut für Technologie (KIT) den Festvortrag „Neue Analysemöglichkeiten durch STEM-Abbildung im Rasterelektronenmikroskop und deren Anwendung in der Materialforschung“. Anschließend sind Laborführungen und ein Empfang vorgesehen.

Um Anmeldung wird gebeten:
berlinem.org/40-jahre-zelmi

Tel.: 314-2 34 23
Patricia Pätzold

Junge Wissenschaft

Dafür gab es den Nobelpreis

Tolga Wagner engagiert sich für das Erbe von Ernst Ruska. Er baute dessen Elektronen­mikroskop nach

Tolga Wagner neben seinem Nachbau. Auch das Original ...
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Tolga Wagner engagiert sich für das Erbe von Ernst Ruska. Er baute dessen Elektronen­mikroskop nach

„Hier fing alles an. Eine der herausragendsten Erfindungen des vorigen Jahrhunderts wurde an der Technischen Hochschule, der Vorgängereinrichtung der TU Berlin, gemacht: das Elektronenmikroskop. Sein Erfinder, Ernst Ruska, bekam dafür den Nobelpreis. Die Grundlagen der Elektronenmikroskopie wurden an dieser Uni gelegt. Ruskas technische Zeichnungen finden sich an dieser Universität“, schwärmt Tolga Wagner. „Das ist doch ein fantastisches Erbe.“

Tolga Wagner, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Michael Lehmann am Institut für Optik und Atomare Physik, hat dieses Erbe so fasziniert, dass er Ruskas Erfindung nachbaute. Das war möglich, weil er noch auf ein anderes „tolles TU-Erbe“, wie er sagt, zurückgreifen konnte, das von Prof. Dr. Hans Boersch, auch ein Pionier der Elektronenmikroskopie. Tolga Wagner bediente sich der von Boersch entwickelten modularen Bausteine zum Bau von Elektronenmikroskopen. 

... erstrahlt im Ernst-Ruska-Gebäude der TU Berlin in neuem Licht
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„Umsichtige Mitarbeiter des Instituts haben Elemente aufbewahrt, die ich für den Nachbau nutzen konnte“, erzählt Wagner. Anhand dieses Nachbaus bekämen die Studierenden einen tiefen Einblick in die Technologie eines solchen Elektronenmikroskops. Mit ihm sei es möglich, physikalische Phänomene viel anschaulicher zu vermitteln, als dies mit einem kommerziellen Elektronenmikroskop heutzutage möglich sei, „denn diesem kann man längst nicht mehr ins Innere schauen“. Wagner selbst forscht an der methodischen Entwicklung von Elektronenmikroskopen.

Tolga Wagner hat auch dafür gesorgt, dass eines der serienmäßig hergestellten Elektronenmikroskope von Ruska, das im Ernst-Ruska-Gebäude ausgestellt ist, im wahrsten Sinne des Wortes in einem besseren Licht erscheint. Ein wenig Glanz für eine mit dem Nobelpreis gewürdigte Erfindung darf es schon sein.

Sybille Nitsche "TU intern" Oktober/November 2018

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