Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

MATERIALWISSENSCHAFTENWerkstoffe der Zukunft erforschenSynchrotronstrahlung gewinnt in den Materialwissenschaftenzunehmend an Bedeutung. Ein besonderes Forschungsinteresserichtet sich dabei auf möglichstrealistische Prozesse.Materialien beeinflussen die technologische und gesellschaftlicheEntwicklung in besonderer Weise: Ganze Periodender Menschheitsgeschichte wurden nach den jeweils dominierendenMaterialien wie Kupfer, Bronze oder Eisen eingeteilt undauch heute noch prägen neue Materialien den technischenForschritt. Ob bei Halbleitern, Gläsern, Kunststoffen oder Stahl– erst die Entwicklung neuer Werkstoffe ermöglicht viele Neuerungenwie etwa in der Informationstechnologie, Textilindustrieoder Architektur.Die Eigenschaften von Materialien werden durch derenAufbau von den Atomen bis zum Bauteil bestimmt. Einen wesentlichenAnteil daran haben die Dimensionen vom Nanometerbis zum Mikrometer, die mit Synchrotronstrahlung inunvergleichlicher Weise studiert werden können. Seit vielenJahren schon leistet die Synchrotronstrahlung einen wichtigenBeitrag zur Materialforschung und ergänzt ganz wesentlich dieMöglichkeiten anderer hochauflösender Methoden wie etwader Elektronenmikroskopie. Eine Analyse aller Veröffentlichungenaus diesem Forschungsfeld zeigt, dass die Zahl der Publikationenin der Materialforschung, welche das Stichwort„Synchrotron“ enthalten, seit den späten 1980er Jahren praktischlinear von null auf heute mehr als 450 pro Jahr angestiegenist (Quelle: Web of Science). Die meistzitierten Veröffentlichungennutzen dabei klassische Werkzeuge der Synchrotronstrahlung,zum Beispiel Pulverdiffraktometrie, Reflektivität,Kleinwinkelstreuung und spektroskopische Technikenwie EXAFS. Daher ist es extrem wichtig, diese klassischen Technikenauf sehr hohem Niveau verfügbar zu halten.Neue Entwicklungen gehen dahin, nicht nur Strukturen,sondern auch Prozesse zu erforschen. Das hilft bei derEntwicklung von Syntheseverfahren, beim Verständnis der mechanischenVerformung oder der Analyse von Umwandlungsreaktionen.Die Voraussetzung für solche Untersuchungen istdie Möglichkeit einer Messung in Abhängigkeit der Zeit sowiedie Verfügbarkeit von Probenumgebungen, die eine kontrollierteVeränderung der Probe erlauben. Ein hervorragendes Beispielfür eine Untersuchung dieser Art ist die Erforschung von Katalyseprozessen(siehe Forschungsbeispiel) mittels Photoelektronenspektroskopieim Röntgenlicht. Ein besseres Verständnis desProzesses wird hier über die direkte Beobachtung während derReaktion erreicht. Dazu ist eine komplexe maßgeschneiderteProbenumgebung nötig, die es erlaubt, die realen Bedingungenso genau wie nötig nachzustellen. Ähnliches gilt für viele anderematerialwissenschaftliche Probleme, bei denen mehrere physikalischeParameter (wie etwa Druck, Temperatur, Feuchte, mechanischeBelastung) gleichzeitig kontrolliert und verändertwerden, um die jeweilige Antwort des Materials darauf zu studieren.Neue Synchrotronstrahlungsquellen wie PETRA III inHamburg und – in noch viel höherem Maße – die zukünftigenFEL-Quellen werden es in Zukunft erlauben, die Zeitauflösungso sehr zu verbessern, dass es möglich sein wird, Details vonchemischen Reaktionen sichtbar zu machen.Moderne Materialien zeichnen sich in besonderem Maßedurch ihre strukturelle Komplexität aus. Elektronische Bauelemente,Biomaterialien oder neuartige Kunststoffe sind auf verschiedenenGrößenskalen unterschiedlich strukturiert, ihrAufbau kann dabei vom Kleinen (Nanometerebene) bis zurnächsten Skala (Mikrometerebene) variabel sein. Das macht dieCharakterisierung extrem schwierig. Ein vielversprechender Ansatzist die Verwendung von extrem feinen Röntgenstrahlen mitDurchmessern im Mikrometer- oder Nanometerbereich, welchein den letzten Jahren an hochbrillanten Synchrotronstrahlungsquellenwie der ESRF in Grenoble entwickelt wurden. DieGröße des Strahls bestimmt, in welchem Bereich die Probeanalysiert wird. Eine noch bessere Verfügbarkeit von Röntgenquellenmit extremer Brillanz ist daher für die Materialforschungvon höchster Bedeutung. Auch Abbildungsmethodenmittels kohärenter Strahlung sind in diesem Kontext ein sehrwichtiges Zukunftsthema.Die neuen Röntgenquellen mit hoher Brillanz und Kohärenzwerden in der modernen Materialforschung eine wesentlicheRolle spielen. Zusätzlich erfordert die Erforschung vonProzessen und Verfahren wie der Materialsynthese sehr komplexeProbenumgebungen und entsprechende Präparationslabors.Es wird daher auch für die Materialforschung zunehmendwichtig, dedizierte Laborräume und begleitende Untersuchungsmöglichkeitendirekt an der Synchrotronstrahlungsquellezur Verfügung zu haben.12 Synchrotronstrahlung 2009