Hochleistungsmikroskop für Katalyse und mehr

Ein neues Transmissionselektronenmikroskop (TEM) an der Universität Stuttgart wird in der Lage sein, winzige Poren mit einer Größe von nur 1 bis 100 Nanometern sichtbar zu machen. Das TEM Spectra-300 der Firma Thermo Fisher ist eines der modernsten Geräte weltweit zur hochauflösenden Untersuchungen von Materialien aller Art. Es soll die Arbeiten im Sonderforschungsbereich „Molekulare heterogene Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien“ (SFB 1333) voranbringen, aber auch zum Beispiel in der Batterieforschung und in der Biologie eingesetzt werden. 

Der SFB 1333 (Sprecher Prof. Michael Buchmeiser) hat sich das Ziel gesetzt, chemische Reaktionen zu beschleunigen und bestimmte Produkte so effektiv und gezielt zu erzeugen wie in der Natur. Das soll mittels neuartiger Katalysatoren erreicht werden, die definierte, dirigierende Hohlräume als Reaktionsumgebung nutzen.   „Mit dem Mikroskop wollen wir klären, ob die Systeme erfolgreich hergestellt wurden, ihre Funktion testen und untersuchen, wie man sie weiter verbessern kann“, sagen Prof. Guido Schmitz und Robert Lawitzki, vom Institut für Materialwissenschaft, die das Mikroskop der Universität Stuttgart betreiben werden. „Da die Systeme nur wenige Atome groß und auch sehr empfindlich sind, ist für deren Erforschung ein Mikroskop mit einer einzigartigen Ausstattung erforderlich.“

Das TEM erlaubt es, mit Beschleunigungsspannungen im Bereich von 30 bis 300 Kilovolt zu arbeiten, so dass man eine große Bandbreite an Proben untersuchen kann und eine sehr hohe Auflösung erzielt. Zu seinen Besonderheiten gehört ein sogenannter Probe-Cs-Korrektor, der vor der Probe im Beleuchtungsstrahlengang sitzt und dadurch subatomare Auflösungen unter 0,05 Nanometer im Rasterbetrieb verspricht. Eine Einhausung schützt das Mikroskop vor akustischen Vibrationen und klimatischen Schwankungen, was bei hochauflösenden Untersuchungen einen stabilen Betrieb gewährleistet.

Da die Katalysatorsysteme bei der Untersuchung mit dem Elektronenstrahl nicht zerstört werden dürfen, ist das Gerät mit äußerst sensitiven Detektoren ausgestattet, die auch bei geringer Strahlintensität Signale aufspüren und auswerten können. Dazu gehören eine sogenannte Direktelektronenkamera, eine schnelle 4kx4k CMOS-Kamera sowie weitere Detektoren für spektroskopische Aufnahmen. Für besonders sensitive Proben zum Beispiel in der Zellbiologie ist das Gerät zudem mit einem Cryo-Transferhalter-System ausgestattet. Hierbei werden die Proben mit flüssigem Stickstoff gekühlt und sind somit stabiler gegenüber Strahlenschäden.

Anschaffung im Rahmen des Verbunds AMICA

Das TEM wird im Rahmen des interdisziplinären Verbunds „Advanced Materials Innovation and Characterization“ (AMICA) an der Universität Stuttgart angeschafft und im Mikroskop-Zentrum an der Materialprüfungsanstalt (MPA) aufgestellt. Als zentrale Einrichtung wird es von 12 Arbeitsgruppen aus acht Instituten genutzt werden – weitere sollen folgen. So kann man mit dem TEM zum Beispiel in-situ Experimente an neuartigen Festkörperbatterien durchführen und auf atomarer Ebene betrachten, was erforderlich ist, um die Ladeeffizienz dieser Batterien weiter zu erhöhen. In der biologischen Forschung trägt das neue Mikroskop dazu bei, das Verständnis von Proteinen, Geweben und Zellen zu erweitern und herauszufinden, welche Mechanismen auf der nanoskopischen Ebene bestimmte Prozesse oder Wechselwirkungen auslösen. So wollen die Forschenden unter anderem herausfinden, wie biologische Strukturen, zum Beispiel Coronaviren, funktionieren.

Mit einer Summe von 4,2 Millionen Euro ist die Anschaffung des Transmissionselektronenmikroskops eine bedeutende Investition der Universität in ihre Forschungsinfrastruktur, welche durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen der Großgeräteförderung mit 2,1 Millionen Euro gefördert. Der Einbau, für den an der MPA größere räumliche Veränderungen erforderlich waren, beginnt im April 2021, mit der Übergabe des Mikroskops an die Nutzerinnen und Nutzer ist im Herbst 2021 zu rechnen.