IBM entwickelt neue Mikroskop-Technik

IBM Forscher haben eine neue Technik für das Elektronenmikroskop entwickelt, die es Wissenschaftlern erstmals erlaubt, Echtzeit-Reaktionen in Flüssigkeiten zum Zeitpunkt ihres Geschehens zu beobachten. Bisher war es extrem schwierig, hochauflösende Echtzeit-Videobeobachtungen von Phänomenen zu machen, die in Flüssigkeiten stattfinden. Flüssigkeiten sind nämlich inkompatibel mit der Hochvakuum-Umgebung von Transmissions-Elektronenmikroskopen. Zwar konnte man andere Mikroskoptypen wie das Rasterkraft-Mikroskop bei Flüssigkeiten einsetzenb, diese sind aber mit einer Belichtungszeit von 30 Sekunden zu langsam.

Eine dünne Flüssigkeitsschicht wird zwischen zwei extrem dünnen transparenten Trägern oder „Fenstern“ gehalten, und der Elektronenstrahl passiert die Flüssigkeit und die Fenster, bevor er das Bild formt. Für die Beobachtung des Kupferwachstums haben die Forscher mikroskopisch kleine Elektroden auf den Fenstern geschaffen. Durch die Verwendung einer passenden Flüssigkeit (Elektrolyt) und die Durchleitung eines Stroms zwischen den Elektroden konnten die Forscher Kupfer an einer Elektrode wachsen lassen und dabei die Entstehung und das Wachstum der Kupferklümpchen beobachten. Durch das Modellieren dieses Vorgangs mit unterschiedlichen Ausgangsbedingungen ließ sich das Verständnis der Wachstumsprozesse deutlich verbessern.

Dynamische Prozesse, die in Flüssigkeiten stattfinden, sind von großer Bedeutung in vielen Bereichen der Wissenschaft. Daher könnte die Fähigkeit, Flüssigkeitsphasen-Prozesse in Echtzeit und mit guter Auflösung zu beobachten, unser Verständnis in vielerlei Gebieten revolutionieren. Beispielsweise wird der galvanische Niederschlag von Kupfer in der Mikroelektronik-Industrie verwendet, um die Leiterbahnen in integrierten Schaltkreisen herzustellen. Ein detailliertes Verständnis, wo und wie Kupfer-Klümpchen wachsen ist essentiell für die Optimierung der endgültigen Strukturen, besonders, da die Leitungsverbindungen immer dünner werden. Unter Verwendung der im nächsten „Nature“ beschriebenen Technik konnten IBM Forscher im Mikroskop Details des Wachstums von Kupferklümpchen durch galvanischen Niederschlag beobachten.

Die neue Technik könnte darüber hinaus Möglichkeiten auch in anderen Gebieten eröffnen: Biologische Stoffe können in Echtzeit im Elektronenmikroskop in ihrer natürlichen Wasserumgebung beobachtet werden. Gegenwärtig werden biologische Untersuchungsobjekte für die Elektronenmikroskopie dehydriert, ein Prozess, der ihre Struktur bedeutend verändert. Zusätzlich würde die neue Technik auch erlauben, das Verhalten der Materialien zu beobachten, die als Elektroden in Batterien fungieren. Etwa bei wiederaufladbaren Batterien könnte das Verständnis, wie sich die Elektrodenoberflächen während des Entlade- und Ladevorgangs verändert, große Bedeutung haben für ihre Lebensdauer. Ein drittes Beispiel betrifft die Korrosion – etwa die Unterwasserkorrosion von Stahl als bedeutendem wirtschaftlichem Problem. Beobachtungen wie im Detail Korrosion stattfindet könnten auch hier hilfreich sein.