Jena/D (Uni) – Um detaillierte Information über die Eigenschaften von Werkstoffen gewinnen zu können, muss ihre Struktur untersucht werden. Materialwissenschaftler nehmen dazu Proben unter die Lupe, oder besser: unter das Elektronenmikroskop. Doch diese Hilfsmittel stoßen dabei an ihre Grenzen. Ab einer bestimmten Größe der Strukturen lassen die Proben sich keine Information mehr entlocken. Eine solche Grenze haben Materialwissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität in Jena jetzt eingerissen. Sie entwickelten eine Methode für das Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM), mit der auch feinste Strukturen mit einem unregelmäßigen Beugungsbild verwertbare Informationen liefern. Neben dem Abbild der Probe sind mit einem TEM auch Beugungsbilder möglich, die sich als regelmäßige oder unregelmäßige Punktemuster zeigen. „Bei Analysen mit einem TEM wird die dünne Probe – Objekte mit Dicken im Nanometerbereich – mit einem Elektronenstrahl beschossen, der durch das Material hindurch geht,“ erklärt Markus Rettenmayr vom Jenaer Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. „Durch die Veränderung der Flugbahn der Elektronen entsteht ein Beugungsbild, das Information über die Materialeigenschaften preisgibt.“ Zuvor war allerdings jede Probe zu orientieren. Das heißt: Ihre kristalline Struktur musste ausgerichtet werden, um dann ein regelmäßiges Muster zu erhalten. Bei sehr dünnen Proben, die eigentlich genaue Informationen liefern können, klappt das nur mit Glück und in Ausnahmefällen. „Durch sehr komplexe Vektorgeometrie ist es uns gelungen, die Abstände und Winkel zwischen einzelnen Punkten im Beugungsbild auch bei unregelmäßigen Mustern zu interpretieren“, sagt der Professor für Metallische Werkstoffe. „Das gelingt nun für jedes kristalline Material.“ Gemeinsam mit seinem Kollegen Martin Seyring, der an der Entwicklung der neuen Mikroskopiemethode beteiligt war, nutzte Rettenmayr die Erkenntnisse, um ein vielversprechendes Material genauer zu untersuchen: nanokristallines Mangannitrid. „Dieses Material vollzieht auch bei großen Temperaturunterschieden geringfügige bis keine Längenänderung“, erklärt der Jenaer Materialwissenschaftler die Vorzüge. „Deshalb ist es beispielsweise sehr gut für den Einsatz im Weltraum geeignet, da etwa Satelliten große Temperaturunterschiede auf dem Weg ins kalte All über sich ergehen lassen und trotzdem immer einwandfrei funktionieren müssen.“ Zum anderen sind solche Längenänderungen bei weiteren Anwendungen erwünscht. Mithilfe der neuen Möglichkeiten ist es den Jenaer Forschern gelungen, einen Mechanismus zu identifizieren, mit dem die kristalline Struktur von Mangannitrid gesteuert werden kann. Dadurch wird auch der Temperaturbereich maßgeschneidert, in dem sich die Länge ändert. „Diese Arbeit erfolgte mit Kollegen aus China, den USA und Japan. Die Herstellung des Materials wurde dabei von chinesischen Kollegen von der Beijing University of Technology durchgeführt“, sagt Rettenmayr.

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