Insight: Die Nanostrukturen leichter Elemente

Neue Werkstoffe brauchen angepasste Analysemethoden: Das ZFE wird mit Insight sein Standard-Portfolio im Bereich der Rasterelektronenmikroskopie optimieren, um Materialien mit leichten Elementen wie etwa Lithium oder Magnesium präzise und einfach charakterisieren zu können. Was bisher nur in der Forschung möglich war, soll auch KMU zugänglich sein.

Mit gut 0,53 Gramm pro Kubikzentimeter ist Lithium das leichteste Element bei Raumtemperatur, rund 20 Grad Celsius. Heute funktioniert kein Laptop oder Smartphone ohne das Metall, wo es in Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird. Leichtmetalle wie Lithium oder auch Magnesium, das in Legierungen für den Leichtbau eingesetzt werden kann, werden als Werkstoffe immer wichtiger. Ihre Charakterisierung ist aufgrund ihrer komplexen physikalischen Eigenschaften aber nicht trivial. Die avancierten Methoden der Elektronenmikroskopie sind aufwändig, und ihre Ergebnisse können von Betrieben kaum genutzt werden – somit entgehen den KMU Chancen, an neuen Materialien zu forschen, die aber in der technologischen Transformation immer bedeutender werden. Die leichten Elemente sind zum Beispiel zentral für die additive Fertigung (3D-Druck), für Leichtbau-Teile und auch für neue Antriebssysteme und Energiespeicher. Für KMU ist das Projekt Insight daher ein wichtiger Baustein, um diese Transformation mitzugestalten.

Das Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) in Graz wird bei diesem Projekt die Methoden zu Charakterisierung von Werkstoffen, die leichte Elemente enthalten, vereinfachen und via Automatisierung auch kollaborative Forschung auf Distanz für kleine und mittlere Betriebe ermöglichen.

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Kunden, KMU, Forschungspartner arbeiten gemeinsam: Wir ermöglichen eine kollaborative Materialentwicklung.

Gerald Kothleitner - ZFE
a Vorbereitung einer Probe am ZFE
b Forscher des ZFE am Mikroskop

Die Rasterelektronenmikroskopie vermag Strukturen bis hinunter zu einzelnen Atomen bzw. sogenannten Atomsäulen sichtbar zu machen. Das ZFE hat in den letzten Jahren in diese Technologie investiert, um den Eigenschaften von Materialien auf Nanoebene auf den Grund zu gehen. Jetzt richtet das ZFE die Rasterelektronenmikroskopie auf leichte Elemente: Was in der atomaren Struktur beeinflusst etwa die Leitfähigkeit von Lithium? Welche atomaren Strukturen führen dazu, dass ein Material nicht so fest ist, wie gewünscht? Welche Legierungen sind möglich, um ein Bauteil noch leichter und stabiler zu machen? Je besser Werkstoffe mit leichten Elementen charakterisiert werden können, desto vielfältiger sind die Entwicklungsmöglichkeiten. Daher: „Wir wollen die Materialienklasse der leichten Elemente möglichst detailliert abbilden können“, erläutert Evelin Fisslthaler, Projektleiterin am ZFE.

Für diese Detailgenauigkeit – es geht um Größen von unter einem Millionstel Millimeter – werden neueste Techniken der Bildgebung und der Spektroskopie für die leichten Elemente methodisch optimiert. Da in der Elektronenmikroskopie das mikroskopierte Objekt nicht einfach abgebildet wird, sondern über Umwege entsteht, indem man das Verhalten der Elektronen, mit denen die Proben beschossen werden, beobachtet, ist diese Messung des Elektronenverhaltens, die Detektion, für das entstehende Bild entscheidend. Bei der „Direct Electron Detection“, ein Verfahren der Spektroskopie, verrät etwa der charakteristische Energieverlust der Elektronen die Eigenschaften eines Materials. Verfahren wie dieses wird das ZFE im Rahmen von Insight so gestalten, dass sie standardmäßig angeboten werden können. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit diesen Methoden werden auf einer virtuellen Plattform dargestellt und können live mit Forschungspartnern und Kunden geteilt werden: „Wir machen auf diese Weise kollaborative Materialentwicklung möglich“, so Projektleiter Gerald Kothleitner.

Geforscht wird mit Materialien aus verschiedenen Disziplinen: Das Österreichische Gießerei Institut ÖGI stellt spezielle Leichtmetall-Legierungen zur Verfügung und das CD-Labor für Festkörperbatterien lithiumbasierte Materialien.

Insight macht für KMU so nicht nur die avanciertesten Techniken der Rasterelektronenmikroskopie zugänglich, sondern wird durch das gemeinsame Arbeiten Innovationen beschleunigen, Kompetenzen bei den Betrieben aufbauen, und sie stärker mit ihren Forschungspartnern vernetzen. Nicht zuletzt erschließt sich ein gänzlich neues Feld: die Welt der leichten Elemente.