Wirtschaft 
Die Supermikroskope der BASF
Der Ludwigshafener Chemiekonzern hat für mehrere Millionen Euro drei neue Elektronenmikroskope für die Forschung angeschafft. Die Großgeräte sind laut BASF die modernsten in der chemischen Industrie weltweit und machen kleinste Strukturen sichtbar – bis hin zu einzelnen Atome.
Ganz besonders, einzigartig, faszinierend: Wenn Bernd Hinrichsen über die drei neuesten Elektronenmikroskope der BASF spricht, spürt man schon an seinen Worten, dass sich der Wissenschaftler für die teuren High-Tech-Geräte begeistert, die der Chemiekonzern Anfang des Jahres in Betrieb genommen hat. Wer der Faszination des Fachgebietsleiters Anorganische Mikrostrukturen nachspürt, der begegnet im BASF-Stammwerk in Ludwigshafen Mikroskopen, die ganze Räume ausfüllen. Doch so groß die Geräte sind, ihre besondere Stärke liegt im ganz Kleinen. Gerade das größte, sicher über drei Meter hohe Transmissionselektronenmikroskop (TEM) kann sogar einzelne Atome sichtbar machen. Und dabei stößt der Beobachter in die Größenordnung von Pikometern vor, das sind milliardstel Millimeter.
Die drei neuen „Supermikroskope“, wie sie die BASF nennt, sind ihren Angaben zufolge die leistungsfähigsten Elektronenmikroskope in der chemischen Industrie. Sie seien in der Forschung und Entwicklung unverzichtbar und hier insbesondere nützlich, wenn es um Katalysatoren geht, um Batteriematerialien, elektronische Materialien oder die Analyse ultradünner Beschichtungen.
Besonders plastische Bilder
Im Ludwigshafener Stammwerk der BASF gebe es etwa 30 bis 40 Elektronenmikroskope, sagt Bernd Hinrichsen, aber das neue Rasterelektronenmikroskop (REM), eines der drei angeschafften Geräte, sei einzigartig im Werk. Es könne Strukturen bis zu einer Größe von einem Nanometer (millionstel Millimeter) sichtbar machen und sei damit das höchstauflösende REM, das es zu kaufen gebe.
Elektronenmikroskope können sehr viel kleinere Strukturen sichtbar machen als Lichtmikroskope. Die Grenze der Lichtmikroskopie ist durch die Wellenlänge des Lichtes bestimmt, die weitaus größer ist als die Wellenlänge von Elektronenstrahlung. Lichtmikroskope können Strukturen bis mehrere Hundert Nanometern auflösen. Alles, was kleiner ist, kann mit Lichtmikroskopie nicht mehr sinnvoll abgebildet werden. Dagegen erreicht das BASF-Rasterelektronenmikroskop namens Helios laut Hinrichsen eine Auflösung von einem Nanometer. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar besitzt eine Dicke von 50.000 bis 100.000 Nanometer.
Rasterelektronenmikroskopische Bilder erscheinen besonders plastisch, Oberflächenstrukturen treten sehr detailscharf und kontrastreich hervor. In einem REM gibt eine Glühkathode aus Wolfram oder Lanthanhexaborid Elektronen ab. Die werden über eine elektrische Spannung von mehreren Tausend bis Zehntausend Volt beschleunigt und sehr fein auf die Probe gebündelt. Mit dem Elektronenstrahl wird die dann Zeile für Zeile abgetastet. Die auftreffenden Elektronen setzen wiederum Elektronen aus der Probe frei, die von dort je nach Objektoberfläche in unterschiedlichen Winkeln abstrahlen. Diese Sekundärstrahlung wird über einen Detektor als Bild aufgezeichnet.
Mikroskop kann auch schweißen
Das REM der BASF namens Helios, wiegt fast eine Tonne, und wird vom US-amerikanischen Technologieunternehmen Thermo Fisher Scientific hergestellt. Es verfüge zudem über die Möglichkeit, mit einem Strahl aus fokussierten Galliumionen winzigste Strukturen in eine Probe zu graben, erläutert Hinrichsen. Und dabei könne man zuschauen. Das Gerät könne in diesen winzigsten Dimensionen sogar schweißen. Das funktioniere mittels einer gasförmigen platinorganischen Verbindung, die mithilfe eines Elektronenstrahls am Ort des Schweißens gespalten wird.
Diese Möglichkeiten des REM würde auch dazu verwendet, Proben für eine andere Art der Elektronenmikroskopie, der Transmissionselektronenmikroskopie, vorzubereiten. Um mit den winzigen Proben im neuen REM umzugehen, helfe ein Mikromanipulator mit einer Spitze von einem Mikrometer (tausendstel Millimeter) Durchmesser. Das Gerät wertet auch die Röntgenstrahlung aus, die durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit der Probe entsteht. Damit kann punktgenau die chemische Zusammensetzung winziger Oberflächenstrukturen bestimmt werden oder auch die Kristallstruktur an dieser Stelle. Das sei für ihn als Kristallographen ganz besonders faszinierend, sagt Hinrichsen. Er ist Mineraloge mit der Spezialisierung Kristallographie und dürfte damit unter den Forschern der BASF vom Ausbildungsgang her eine Ausnahme sein.
Spannung von 200.000 Volt
Die beiden anderen Supermikroskope der BASF sind Transmissionselektronenmikroskope (TEM). Hier tastet der Elektronenstrahl nicht die Probenoberfläche ab, sondern durchdringt die Probe. Daher darf das Objekt beispielsweise nur rund 100 Nanometer dünn sein, damit auch Elektronen durch das Material kommen. Die Elektronen müssen deshalb auch mit größerer Energie auftreffen, weshalb sie mit einer Spannung von 200.000 Volt beschleunigt werden.
Das kleinere TEM der BASF, ein Talos F200i ebenfalls von Thermo Fisher Scientific, wiegt über eine Tonne und ist übermannsgroß. Die Auflösung erreicht hier 130 Pikometer (milliardstel Millimeter) und dringt damit in atomare Dimensionen vor. Bemerkenswert ist auch das hohe Datenvolumen, das bei einer einzigen Aufnahmen eines Objektes erzeugt wird. Es könne leicht ein Terabyte übersteigen, erläutert Hinrichsen. Das entspricht etwa der Datenmenge von 200 Spielfilmen in DVD-Qualität.
Das dritte und teuerste BASF-Elektronenmikroskop, ein Themis Z vom gleichen Hersteller wie die anderen Geräte, auch ein TEM, erreicht schließlich die Auflösung von 60 Pikometern. Das Gerät sei aktuell das Non-Plus-Ultra für die anorganische Forschung, sagt Hinrichsen. Damit könnten einzelne Atome sichtbar gemacht werden. 66 Pikometer ist beispielsweise der Atomradius eines Sauerstoffatoms.
Damit die Elektronenmikroskope Aufnahmen atomarer Strukturen erlauben, müssen sie mit einigem Aufwand vor störenden Einflüssen abgeschirmt werden. Da darf zum Beispiel nichts wackeln. Deshalb besitzt das Themis Z sogar ein schallgedämmtes Gehäuse, weil schon Gespräche im gleichen Raum stören könnten. Alle drei Elektronenmikroskope besitzen eine aktive Bodendämpfung, die auch winzige Schwingungen in der Größenordnung von Mikrometern ausgleichen. Umgeben sind die Geräte zudem von einer sogenannten Helmholtz-Spule, mit der störende Einflüsse des Magnetfeldes kompensiert werden.
