Polymerlinsen für Röntgenmikroskope

Röntgen­mikroskope kombinieren eine hohe Auflösung selbst im Nanometer­bereich mit einer großen Tiefen­wirkung und hohem Kontrast. Zusätzlich ist die Röntgen­mikroskopie die einzige Technik, bei der man verbor­gene Merkmale eines Objekts mit hoher Auflösung untersuchen kann – ein 3D-Einblick ohne Schneiden, Zerteilen oder gar Zerstören. Mit der Methode 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 diffraktive Röntgenoptik im 3D-Nanoprint­verfahren gedruckt. „Wir haben einen gepulsten Femto­sekunden-Infrarotlaser und einen Fotolack verwendet, der durch die gleich­zeitige Absorption mehrerer Infrarotphotonen poly­merisieren kann, um Strukturen zu schreiben, die kleiner als die Wellen­länge des Lichts sind", sagt Umut T. Sanli von der Forschungs­gruppe Mikro/Nano-Optik. „Auf diese Weise haben wir ein extrem heraus­forderndes Verfahren zur Herstellung von Röntgen­linsen mit Nanometer kleinen Merkmalen und exzellenten Fokussier­möglichkeiten entwickelt", sagt er.

Die Röntgen­linsen der Mikroskope 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 Freie-Elektronen-Laser 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-Verfahren, um die Röntgen­linsen herzustellen. „Dabei stellten wir fest, dass die 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 aus der Abteilung für Physische Intelligenz.

„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. Viele neue Forschungs­projekte sollen folgen. Die Forscher haben ihre Erfindung zum Patent angemeldet.

MPIIS / JOL