Mehr Informationen aus Mikroskopie-Abbildungen durch Rechenleistung
Am 27.11.2019 fand am HZB das Auftakttreffen des Helmholtz-Inkubator-Projekts Ptychography 4.0 statt. Sieben Helmholtz-Zentren wollen gemeinsam Methoden der Datenwissenschaft weiter entwickeln, um mehr Informationen aus Elektronen- und Röntgenmikroskopie zu gewinnen. Insbesondere geht es darum, mit „virtuellen Linsen“ Abbildungsfehler zu korrigieren und so das Auflösungsvermögen deutlich zu steigern.
Ptychography 4.0 gehört zu den Pilotprojekten des Inkubator-Förderprogramms im Bereich Information und Datenwissenschaften und wird aus dem Impuls- und Vernetzungsfonds des Präsidenten der Helmholtz-Gemeinschaft mit knapp 1,7 Millionen Euro gefördert. Die Helmholtz-Zentren beteiligen sich mit Eigenmitteln in gleicher Höhe.
„Mit der Ptychographie 4.0 arbeiten wir daran, die Auflösung in der Elektronenmikroskopie, aber auch in der Röntgenmikroskopie deutlich zu steigern, indem wir Abbildungsfehler rechnerisch korrigieren“, erläutert Dr. Markus Wollgarten, der am HZB das CoreLab für Korrelative Spektroskopie und Mikroskopie leitet. So wäre es zum Beispiel möglich, feinste Oberflächenstrukturen in Bakterien oder Viren extrem scharf darzustellen oder neue Materialien wie Graphen atomar genau abzubilden, ohne dass man auf kostspielige Korrektor-Optiken zurückgreifen muss.
Bei konventionellen Mikroskopieverfahren wird Licht (oder ein Elektronenstrahl) durch die Probe geschickt, ein Detektor misst dahinter die verbleibenden Intensitäten und man erhält so ein Bild der Probe. Dabei geht jedoch die wertvolle Information über die probenbedingte Phasenänderung der Strahlung verloren. Bei der Ptychographie 4.0 wird diese Information rechnerisch berücksichtigt und ausgewertet. Dies erfordert zwar Datenraten im Bereich von Gigabyte/Sekunde, erlaubt aber dann, die Probenstruktur mit großer Genauigkeit rechnerisch zu rekonstruieren. Abbildungsfehler des Mikroskops spielen dabei praktisch keine Rolle.
Die Kooperationspartner wollen nun diesen Ansatz weiter entwickeln und die Methode für den Routineeinsatz mit verschiedenen Strahlungsarten, wie beispielsweise Röntgenstrahlung, Elektronen oder XUV Licht, optimieren. Insbesondere soll die Bildrekonstruktion so stark beschleunigt werden, dass Abbildungen in Echtzeit möglich sind.
„Mit Ptychographie 4.0 umgehen wir limitierende Abbildungsfehler, so dass wir auf die sehr kostenintensiven physikalischen Korrektor-Optiken verzichten können – damit werden sich künftig wesentlich mehr Einrichtungen state-of-the-art Hochauflösungsmikroskopie leisten können“, betont Wollgarten.
Partner:
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Forschungszentrum Jülich (FZJ)
Helmholtz Institut Jena (GSI, HI-Jena)
Helmholtz Zentrum München (HMGU)
Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI)
Koordination:
PD Dr. Wolfgang zu Castell
Helmholtz Zentrum München (HMGU)
castell@helmholtz-muenchen.de
Prof. Dr. Christian Schroer
Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
christian.schroer@desy.de
Am HZB sind neben Dr. Markus Wollgarten auch Prof. Dr. Gerd Schneider (Röntgenmikroskopie) sowie Ants Finke (IT-Abteilung) beteiligt.
- Grüner Wasserstoff: Käfigstruktur verwandelt sich in effizienten KatalysatorClathrate zeichnen sich durch eine komplexe Käfigstruktur aus, die auch Platz für Gast-Ionen bietet. Nun hat ein Team erstmals untersucht, wie gut sich Clathrate als Katalysatoren für die elektrolytische Wasserstoffproduktion eignen. Das Ergebnis: Effizienz und Robustheit sind sogar besser als bei den aktuell genutzten Nickel-basierten Katalysatoren. Dafür fanden sie auch eine Begründung. Messungen an BESSY II zeigten, dass sich die Proben während der katalytischen Reaktion strukturell verändern: Aus der dreidimensionalen Käfigstruktur bilden sich ultradünne Nanoblätter, die maximalen Kontakt zu aktiven Katalysezentren ermöglichen. Die Studie ist in „Angewandte Chemie“ publiziert.
- Solarzellen auf Mondglas für eine zukünftige Basis auf dem MondZukünftige Mondsiedlungen werden Energie benötigen, die Photovoltaik liefern könnte. Material in den Weltraum zu bringen, ist jedoch teuer – ein Kilogramm zum Mond zu transportieren, kostet eine Million Euro. Doch auch auf dem Mond gibt es Ressourcen, die sich nutzen lassen. Ein Forschungsteam um Dr. Felix Lang, Universität Potsdam, und Dr. Stefan Linke, Technische Universität Berlin, haben nun das benötigte Glas aus „Mondstaub“ (Regolith) hergestellt und mit Perowskit beschichtet. Damit ließe sich bis zu 99 Prozent des Gewichts einsparen, um auf dem Mond PV-Module zu produzieren. Die Strahlenhärte konnte das Team am Protonenbeschleuniger des HZB getestet.
- Optische Innovationen für Solarmodule – Was bringt den Ausbau am meisten voran?Im Jahr 2023 erzeugten Photovoltaikanlagen weltweit mehr als 5% der elektrischen Energie und die installierte Leistung verdoppelt sich alle zwei bis drei Jahre. Optische Technologien können die Effizienz von Solarmodulen weiter steigern und neue Einsatzbereiche erschließen, etwa in Form von ästhetisch ansprechenden, farbigen Solarmodulen für Fassaden. Nun geben 27 Fachleute einen umfassenden Überblick über den Stand der Forschung und eine Einschätzung, welche Innovationen besonders zielführend sind. Der Bericht, der auch für Entscheidungsträger*innen in der Forschungsförderung interessant ist, wurde von Prof. Christiane Becker und Dr. Klaus Jäger aus dem HZB koordiniert.