Die räumliche Orientierung submikroskopischer Texturen – ob im humanen Zahnschmelz oder in Silizium-Nanomaterialien – determiniert maßgeblich die makroskopischen Materialeigenschaften. Ein neues, von einem internationalen Konsortium unter Federführung des Helmholtz-Zentrums Hereon entwickeltes Röntgenverfahren ermöglicht nun die Charakterisierung dieser Nano-Ordnung, selbst wenn die Dimensionen der Strukturen unterhalb des direkten optischen Auflösungsvermögens liegen. Die Methode erweitert das analytische Spektrum für die Strukturaufklärung von Werkstoffen und biologischen Proben signifikant.
Während die klassische medizinische Röntgendiagnostik auf differentieller Strahlenschwächung basiert, nutzt die Materialanalytik erweiterte Modalitäten wie die Dunkelfeld-Bildgebung. Diese detektiert die Röntgenstreuung an internen Phasengrenzen und mikrostrukturellen Inhomogenitäten. „Aus der Streuung lässt sich viel über innere Strukturen lernen, die man nicht direkt erkennt“, erklärt Sami Wirtensohn.
Technisch wird dies realisiert, indem der Primärstrahl ausgeblendet wird, sodass ausschließlich die Streustrahlung der Probe auf den Detektor trifft. Konnte die konventionelle Dunkelfeld-Methode bislang lediglich die Präsenz solcher Grenzflächen nachweisen, detektiert der neue Ansatz nun auch deren räumliche Orientierung. An der Entwicklung waren neben dem Hereon Arbeitsgruppen aus Hamburg, München, Wien, Shanghai und Villigen beteiligt. Wirtensohn resümiert den analytischen Mehrwert: „Wir können die Streuung jetzt auch richtungsabhängig auswerten. Dadurch lässt sich herausfinden, wie die Nanostrukturen ausgerichtet sind – und zwar pixelweise und unterhalb der Auflösungsgrenze.“
Einfacher Trick mit großer Wirkung
Der experimentelle Ansatz basiert auf einer einfachen, mit geringem Aufwand an bestehenden Systemen nachrüstbaren Modifikation: Zusätzliche Blenden im Strahlengang ermöglichen die sequenzielle Probenbeleuchtung aus variierenden Winkeln. Die Rekonstruktion der räumlichen Orientierung interner Strukturen erfolgt anschließend über die mathematische Kombination dieser Multi-Winkel-Aufnahmen. Zur Validierung des Verfahrens nutzte das Konsortium die hochbrillante, gebündelte Röntgenstrahlung des Speicherrings PETRA III am Forschungszentrum DESY in Hamburg. An der vom Hereon betriebenen Bildgebungs-Strahllinie P05 wurden unter anderem nanoporöses Silizium sowie humaner Zahnschmelz mit pathologischer Mineralisationsstörung analysiert.
Gerade bei dieser biomedizinischen Fragestellung demonstrierte die Methode ihr Potenzial: Trotz der geringen Dimensionen der Zahnschmelz-Nanokristalle von nur wenigen Dutzend Nanometern gelang die präzise Bestimmung ihrer Vorzugsrichtung. „Wir sehen nicht nur, dass etwas streut, sondern auch, wie es orientiert ist“, erklärt Dr. Silja Flenner. „Besonders sensitiv sind wir für Strukturen im Bereich von 30 bis 70 Nanometern – also dort, wo eine zerstörungsfreie Untersuchung mit klassischen Bildgebungsverfahren schwierig wird.“ Diese direkten Orientierungsdaten bieten signifikanten Mehrwert für diverse Disziplinen. In der Materialwissenschaft determinieren sie mechanische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und Belastbarkeit – kritische Parameter bei porösen Metallen, funktionalen Nanomaterialien oder in der Batterieforschung. In der Biomedizin wiederum indizieren sie nanoskalige, pathologische Strukturveränderungen in Hartgeweben wie Zahnschmelz oder Knochen.
Zudem wird im Exzellenzcluster „BlueMat: Water-Driven Materials“ erforscht, wie nanoskalige Geometrien die Verteilung und Dynamik von Wasser in Matrixmaterialien steuern. Dieses Verständnis ist essenziell für das Design funktionaler Werkstoffe und liefert fundamentale Erkenntnisse für angrenzende Fachgebiete. Erst die präzise Charakterisierung struktureller Parameter bis in den Nanometerbereich erlaubt es, Transportprozess und Kinetik in modernen chemischen Reaktoren realistisch zu modellieren, mechanistisch zu verstehen und gezielt zu optimieren.
Quelle
Helmholtz-Zentrum Hereon (05/2026)