Mikro- und Makroskopische Veränderungen im Innern von Materialien filmen:
Die Skizze zeigt den Strahlverlauf durch die Probe an EDDI. Die Hochgeschwindigkeitskamera befindet sich über der Probe. © Marlen Paeplow/HZB
Die EDDI-Beamline an BESSY II leistet nun noch deutlich mehr: Seit Kurzem ist es möglich, auch hochaufgelöste dreidimensionale Bilder des mikroskopischen Aufbaus zu erhalten, und zwar mit einer Geschwindigkeit von bis zu vier Bildern pro Sekunde. Zeitgleich kann wie zuvor Röntgenbeugung (Energie-dispersive Diffraktion) durchgeführt werden, die Rückschlüsse auf die kristalline Struktur des Materials zulässt.
Die Beamline-Verantwortlichen Dr. Catalina Jiménez und Dr. Francisco García-Moreno haben diese Neuerung Ende 2013 vorgeschlagen und jetzt erfolgreich umgesetzt. Denn EDDI nutzt das komplette Energiespektrum der BESSY II-Röntgenpulse aus, um damit rasche Beugungsbilder der Proben zu erstellen, welche Aufschluss über den kristallinen Aufbau und den Abstand der Atome in der Probe geben.
Der neue Messkopf:
Ein Teil des Röntgenlichts geht dabei jedoch ungenutzt durch die Probe durch. Dieser Strahl kann nun über einen Szintillator-Kristall in sichtbares Licht umgewandelt und in einer Kamera aufgezeichnet werden. Durch Drehen der Probe erhält man dreidimensionale Abbildungen, die sogenannte Tomografie. Die Umsetzung war nicht trivial: So musste der Messkopf mit dem Szintillator-Kristall nahe der Probe Platz finden, ohne die Strahlführung der Diffraktion zu behindern. „Wir haben dafür eng mit der HZB-Werkstatt zusammengearbeitet“, berichtet García-Moreno.
Prozesse in Energiematerialien
Der Probentisch ist drehbar und besitzt Schleifkontakte, sodass zum Beispiel Batterien während des Ladeprozesses untersucht werden können. Auch gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Probe während der Messung aufzuheizen oder abzukühlen. „Damit können wir zum Beispiel beobachten, welche Veränderungen in Batterien beim Aufladen ablaufen, wie sich Wasserstoff in Stahl einlagert, aber auch viele andere Fragen an Energiematerialien untersuchen“, erklärt Catalina Jiménez.
Bis zu vier Tomografien pro Sekunde
Inzwischen hat das Team gezeigt, dass die Erweiterung sogar noch leistungsfähiger ist, als erwartet: „Wir sind ursprünglich davon ausgegangen, dass eine vollständige Tomografie einer Probe mehrere Sekunden dauert. Doch jetzt schaffen wir sogar gleichzeitig bis zu eine Tomografie und ein Diffraktionsspektrum pro Sekunde oder bis vier Tomografien pro Sekunde. Das heißt, wir können auch schnelle Veränderungen in Proben sehr gut beobachten, wir filmen sie und können sie mit den entsprechenden Phasen korrelieren“, sagt García-Moreno. Diese Option ist bereits in dem Userbetrieb aufgenommen worden und erste Nutzergruppen mit interessanten Fragestellungen haben sich schon angemeldet.
- Ultraschnelle Dissoziation von Molekülen an BESSY II analysiertEin internationales Team hat an BESSY II erstmals beobachtet, wie schwere Moleküle (Bromchlormethan) in kleinere Fragmente zerfallen, wenn sie Röntgenlicht absorbieren. Mit einer neu entwickelten Analysemethode gelang es ihnen, die ultraschnelle Dynamik dieses Prozesses sichtbar zu machen. Dabei lösen die Röntgenphotonen einen „molekularen Katapulteffekt“ aus: Leichte Atomgruppen werden zuerst herausgeschleudert, ähnlich wie Geschosse, die von einem Katapult abgeschossen werden, während die schwereren Atome – Brom und Chlor – sich deutlich langsamer trennen.
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.