23.04.2019

Einblick: MAUS ist eines der weltweit besten Messinstrumente für Nanostrukturen

Einblick: MAUS ist eines der weltweit besten Messinstrumente für Nanostrukturen

Quelle: BAM

Nanomaterialien spielen eine wachsende Rolle in der Industrie und im Alltag. Sie verleihen Oberflächen besondere Fähigkeiten, verbessern die Haltbarkeit und Farbigkeit von Produkten oder besitzen herausragende physikalische Eigenschaften. Doch wegen der winzigen Größe der Partikel scheitern viele Messmethoden bei der Charakterisierung des Materials. Die BAM verfügt seit Kurzem über eines der weltweit besten Messinstrumente für Nanostrukturen. Das neue Messgerät soll die sichere und verträgliche Nutzung der innovativen Nanomaterialien ermöglichen, und zwar über den gesamten Lebenszyklus von der Produktion bis zum Recycling oder zur Entsorgung.

Für Dr. Brian Richard Pauw ging im November 2017 ein Traum in Erfüllung. "Ich habe mir immer gewünscht, ein individuelles Messgerät bauen zu können, das die Vorzüge der besten Messgeräte in meinem Fachgebiet bündelt", erzählt der Wissenschaftler aus dem Fachbereich Polymere in Life Science und Nanotechnologie. Pauw ist ein Experte für Strukturaufklärung bei winzigen Nanopartikeln und nanostrukturierten Materialien mit der Methode der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Er sammelte während seiner Forschungsaufenthalte in den Niederlanden, Dänemark und Japan neue Ideen für das optimale SAXS-Instrument. Mit dem "Multi-scale Analyser for Ultrafine Structures", kurz: MAUS, steht in der BAM nun das vermutlich weltweitbeste Instrument zur Messung der Kleinwinkel-Röntgenstreuung zur Verfügung.

Angesichts der wachsenden Bedeutung von Nanomaterialien ist klar, dass die BAM damit eine Weiterentwicklung von innovativen Messverfahren vorantreibt. Während die meisten SAXS-Geräte nur eine Messung bei einem mittleren Partikel-Durchmesser zwischen wenigen Nanometern und etwa 300 Nanometern erlauben, gehen die Möglichkeiten der BAM durch das neue Gerät weit darüber hinaus. Die rund sechs Meter lange MAUS-Apparatur kann Strukturen mit einer Bandbreite von 0,2 bis zu 2000 Nanometer in großen Probenmengen analysieren. „Wir wollen das Messgerät weiter optimieren und forschen daran, die Anwendungsbereiche für SAXS-Messungen stark zu erweitern“, sagt Pauw.

MAUS mit einzigartiger Ausstattung

"Technisch gesehen ist MAUS ziemlich einzigartig und kombiniert einige gute Optionen", erklärt Pauw. Das Gerät verfügt über gleich zwei Quellen für Röntgenstrahlung, mit denen Untersuchungen bei verschiedenen Wellenlängen möglich sind. Zudem können große Probemengen in unterschiedlichen Winkeln bestrahlt werden und der extrem bewegliche Detektor auf einem dreiachsigen Tisch erlaubt die Anpassung des Messgeräts an ganz unterschiedliche Messzyklen. Das Zeitmanagement der BAM ermöglicht außerdem auch regelmäßig mehrtägige Messungen. "So können wir untersuchen, wie sich Nanostrukturen mit der Zeit verändern und beispielsweise Alterungsprozesse verfolgen", erklärt Pauw.

Einsatzbereit für verschiedene Materialien

Die SAXS ist eine wichtige Messtechnik, die die Größenbestimmung von Nanopartikeln und Nanostrukturen ermöglicht und Details zur Struktur der winzigen Teilchen liefert. Sie eignet sich für alle gängigen Materialien, die eine Nanostruktur haben. SAXS-Messungen können für Materialien in der Industrie oder Forschung verwendet werden: für Metalle, Polymere, Öle, Kunststoffe und sogar für Proteine. Fast alle herkömmlichen Messverfahren sind nicht empfindlich genug für die statistisch relevante dimensionelle Charakterisierung der Nanoteilchen. "Die Kleinwinkel-Röntgenstreuung kann leisten, was beispielsweise die Elektronenmikroskopie nie konnte", erklärt Pauw die vielseitige Verwendbarkeit der SAXS. "Sie kann mit einem Minimum an Aufwand die Nanostrukturen großer Materialmengen charakterisieren." Das ist sowohl für die wissenschaftliche Arbeit als auch für die Qualitätssicherung interessant. Pauw hat beispielsweise die Nanoporen in Fasern aus Aramid untersucht, die für den Bau von Segelflugzeugen und schusssicheren Westen verwendet werden.

Stolperstein: Aufbereitung der Daten

"In den vergangenen 100 Jahren war einer der größten Stolpersteine für die Anwendung der Kleinwinkel-Röntgenstreuung die Analyse der Daten des Detektors", erläutert Pauw. Seine laufende Arbeit besteht darin, Mess- und Analysemethoden weiterzuentwickeln, um den Daten ihre Informationen zu entlocken. Dass MAUS so fein messen kann, liegt vor allem an den Datenkorrekturmethoden, die an der BAM entwickelt wurden. Ansonsten laufen die Forscherinnen und Forscher Gefahr, dass sie Artefakte der Messungen versehentlich als echte Messergebnisse interpretieren.

MAUS ist auch für Partnerinstitute und Universitäten zugänglich, um durch fachlichen Austausch den Einsatz von Kleinwinkel-Röntgenstreuung als Standardmethode in Wissenschaft und Industrie zu beschleunigen. 2018 haben bereits rund 10 externe Nutzer die Gelegenheit genutzt, mit MAUS zu arbeiten. Die Ergebnisse werden in mehreren Publikationen veröffentlicht werden. "Wir freuen uns sehr über Kooperationen sowohl mit der Wissenschaft als auch mit der Industrie“, sagt Brian Pauw. "Interessenten sind jederzeit willkommen, zu einem informellen Gespräch über die Möglichkeiten des Geräts vorbeizuschauen."

Dank der Weiterentwicklung der BAM kann die SAXS auf europäischer Ebene in den neuen Vorschriften für Nanomaterialien als eines der wichtigsten Verfahren zur Kontrolle der winzigen Strukturen offiziell eingesetzt werden. „Die Überprüfung der Produkte mit Nanopartikeln dient nicht nur der Sicherheit der Verbraucher, sondern in vielfältigen Varianten auch der Verbesserung von Werkstoffen“, erklärt Pauw. Das Berliner Team hat mit MAUS bereits verbesserte Aluminium-Legierungen, neue Katalysatoren für die chemische Industrie und poröse Materialien für Membranen untersucht.