Materialforschung und Werkstofftechnik

Schnell und zerstörungsfrei mit Röntgentomographie

Eine neuartige Röntgentomographie-Anlage ermöglicht es jetzt, Materialien in Nanodimensionen genauer als bisher abzubilden und dabei auch dynamische Prozesse wie etwa die Verformung von Metallen zu analysieren.

Die Atomsondentomographie zeigt die inneren Strukturen der Materialien bis hin zum einzelnen Atom. Sie wird dabei helfen, die Aussagekraft der neue Röntgentomographie zu überprüfen (Foto: Oliver Dietze).

Die neue Anlage erzeugt Röntgenaufnahmen mit einer bisher im Labor nicht erreichbaren Auflösung von bis zu 60 nm, das ist etwa tausendmal kleiner als ein menschliches Haar. „Wir können mit dieser Röntgentechnologie daher nicht nur kleinste Poren und Risse in Materialien sichtbar machen, sondern erstmalig auch die komplexen inneren Strukturen der Werkstoffe bis hin zu Mikro- oder Nanodimensionen. Damit können wir noch besser verstehen, warum Werkstoffe durch verschiedene Bearbeitungsschritte ganz neue Eigenschaften erhalten“, erläutert Professor Randolf Hanke, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren in Saarbrücken und seit kurzem Honorarprofessor der Saar-Universität. Hanke ist einer der führenden Wissenschaftler für die experimentelle Entwicklung der Röntgentomographie in Deutschland. An seinem Lehrstuhl für Röntgenmikroskopie an der Universität Würzburg hat er die nun eingesetzte Röntgentomographie im Rahmen der Exzellenzinitiative entwickelt. Gemeinsam mit Professor Hans-Georg Herrmann, der am Fraunhofer-Institut und der Saar-Uni forscht, und den weiteren Partnern will er die Technologie in Saarbrücken vorantreiben und stellt dafür auch die Räumlichkeiten und den technischen Support zur Verfügung.

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Röntgentomographie ergänzt andere 3D-Techniken

Für die Materialforscher an der Saar-Uni ist die Röntgentomographie eine entscheidende Ergänzung der vielfältigen 3D-Analysetechniken, die bereits auf dem Saarbrücker Campus angewendet und entwickelt werden. Diese werden auch dazu dienen, die Aussagekraft der Röntgenaufnahmen zu ergänzen und zu überprüfen, um die Materialien noch besser in allen Details zu verstehen. Mit der bisher schon angewendeten Nanotomographie können die Wissenschaftler zum Beispiel mit einer Genauigkeit von bis zu 10 nm zweidimensionale Serienschnitte von Materialien am Computer zu einem äußerst detaillierten 3D-Modell zusammenfügen. Die Atomsondentomographie zeigt die inneren Strukturen der Materialien sogar bis hin zum einzelnen Atom. „Wir können also nicht nur analysieren, welche Atome auf welche Weise in einem Werkstoff angeordnet sind, sondern wir veranschaulichen auch die exakte Gitterstruktur der Kristalle und zeigen, welche Nanostrukturen daraus geformt werden“, erläutert Frank Mücklich, Professor für Funktionswerkstoffe der Saar-Uni.

Im Unterschied zur Röntgentomographie zerstören die bisherigen Verfahren jedoch zwangsläufig die winzigen Proben. Außerdem lassen sich damit Veränderungsprozesse nicht direkt beobachten, sondern nur nachträglich rekonstruieren. Deshalb hat Frank Mücklich mehrere Professoren der Materialforschung mit ins Boot genommen. Durch das Röntgenverfahren kann etwa Christian Motz besonders an den kritischen Stellen noch besser analysieren, wie sich zum Beispiel Stahl verändert, wenn er in die Länge gezogen oder gepresst wird. Auch bei der Forschung an Batterien, der sich Volker Presser widmet, ist es entscheidend zu beobachten, wie sich die inneren Strukturen der Speichermaterialien verhalten, wenn diese be- oder entladen werden. Für das theoretische Verständnis dieser Phänomene entwickeln Stefan Diebels von der Saar-Uni und Peter Gumbsch vom Karlsruher Institut für Technologie neue Modellierungsansätze.

Schnelle, zerstörungsfreie Tests möglich

Da bei der Röntgentomographie in kurzer Zeit ungewöhnlich große Datenmengen anfallen, die am Computer strukturiert und analysiert werden müssen, arbeiten die Saarbrücker Materialwissenschaftler eng mit Informatikern und Mathematikern zusammen. „Für die direkte Beobachtung von Veränderungsprozessen ist es entscheidend, dass man die Messdaten sehr genau, aber auch extrem schnell analysieren kann“, erklärt Philipp Slusallek, Informatik-Professor der Saar-Uni und Forscher am DFKI. Mit dem Röntgenverfahren ließen sich darüber hinaus auch viele Materialien im hohen Durchsatz zerstörungsfrei überprüfen. „Neue Programmiermethoden und Algorithmen, die hier in Saarbrücken entwickelt wurden und werden, erlauben es uns, die dabei anfallenden riesigen Datenmengen mit maximaler Leistung und hoher Effizienz zu speichern und zu bearbeiten“, ergänzt Slusallek. An diesen Forschungsprojekten sind auch die Mathematik-Professoren Thomas Schuster und Joachim Weickert, beide Saar-Uni, eng beteiligt.

Förderung durch DFG

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das interdisziplinäre Forschungskonzept und die neue Technologie mit 2,1 Mio. Euro. Den Antrag dafür hatten Materialwissenschaftler der Universität des Saarlandes und des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren gemeinsam mit Informatikern und Mathematikern gestellt. Die saarländische Ministerpräsidentin Annegret Kramp-Karrenbauer zeigte sich sehr erfreut über die DFG-Bewilligung: „Auch der interdisziplinäre und institutionenübergreifende Ansatz der Saarbrücker Wissenschaftler hat die DFG überzeugt. Die mehr als 2 Mio. Euro für das Spezial-Röntgengerät sind im Saarland sehr gut angelegt, da das Wissenschaftlerteam ausgesprochen zukunftsweisende Forschung im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik im Saarland betreibt. Ich kann den Verantwortlichen nur herzlich gratulieren und ihnen wünschen, dass sie mit dem jetzt neu anzuschaffenden Spezialmikroskop zahlreiche bislang ungeklärte Fragen in der Materialforschung beantworten können“, so die Ministerpräsidentin. Das Saarland zahlt an die von Bund und Ländern gemeinsam getragene und finanzierte DFG für ihre Aufgaben der Forschungsförderung jährlich rund 12 Mio. Euro.

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