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Das Synchrotron von Grenoble und die Operando-Methode: Eine neue Ära in der Erforschung der Materie

Die Nutzung von Synchrotronstrahlung für sogenannte Operando-Analysen ist eine Möglichkeit, die Grenzen des Wissens in den Bereichen Biologie, Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Archäologie und Geowissenschaften zu erweitern und Antworten auf bedeutende globale Probleme in den Bereichen Gesundheit, Energiespeicherung und Umwelt zu finden. Diese Methode, die bei Wissenschaftlern auf wachsendes Interesse stößt, eröffnet eine neue Ära in der Erforschung von Materie und komplexen Metallen.

Das Synchrotron von Grenoble und die Operando-Methode: Eine neue Ära in der Erforschung der Materie

Synchrotrone sind riesige Anlagen, die Elektronen in einem Speicherring mit einem Umfang von bis zu mehreren hundert Metern auf hohe Energie beschleunigen. Die Elektronen erreichen nahezu Lichtgeschwindigkeit (fast 300.000 Kilometer pro Sekunde) und senden starke elektromagnetische Strahlung aus, die zwischen Infrarot (Wellenlängen zwischen 700 und 100.000 Nanometern – nm, d. h. einem Millionstel Millimeter) und Röntgenstrahlen (0,01 bis 1 nm) liegt. Diese Synchrotronstrahlung wird dann zu den Lichtlinien geleitet: Analyselabors, die am Rand des Speicherrings angeordnet und mit Geräten ausgestattet sind, die diese Strahlung nutzen (Röntgenkristallographie, Spektroskopie, Bildgebung usw.).

Eine Strahlung von außergewöhnlicher Helligkeit …

Bisher gibt es weltweit etwa 50 Synchrotrone. In Frankreich befinden sich zwei der größten davon: die Europäische Synchrotronstrahlungsanlage (ESRF) in Grenoble, die von 22 Ländern mitfinanziert wird, darunter Frankreich (zu 27,5 %) und Deutschland (24 %), und das Synchrotron SOLEIL in Saint-Aubin (Département Essonne), das zu 72 % vom CNRS und zu 28 % vom Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) mitfinanziert wird.

Der Vorteil dieser Maschinen? Die von ihnen erzeugte Strahlung ist tausend Milliarden Mal stärker als die einer herkömmlichen Röntgenröhre! Diese außergewöhnliche Helligkeit ermöglicht es, durch die undurchsichtigste Materie hindurchzusehen und sie wie mit einem Skalpell zu zerlegen, und zwar bis in den Nanometerbereich, in dem sich die Atome befinden. Auf diese Weise kann man die Anordnung der Atome im Wirkstoff eines Medikaments untersuchen, Schadstoffdosen aufspüren, die sonst nicht nachweisbar wären, oder ein Organ wie die Lunge oder das Herz Zelle für Zelle kartografieren. Im November 2021 gelang es britischen Forschenden beispielsweise, mithilfe der von der ESRF erzeugten Röntgenstrahlen die durch Covid-19 verursachten Schäden an den kleinsten Blutgefäßen in der Lunge zu erfassen.

… um Materie im Funktionsprozess zu sezieren

Die jüngsten technischen Verbesserungen der Synchrotrone haben zu einer noch helleren Strahlung geführt. Die ESRF in Grenoble wurde kürzlich aufgerüstet und kann nun Röntgenstrahlen erzeugen, die hundertmal heller sind. Daher auch der neue Name: “ESRF-EBS”, wobei EBS für “Extremely Brilliant Source” (engl. für “extrem helle Quelle”) steht. Die höhere Helligkeit hat zwei große Vorteile: Sie ermöglicht mehr Messungen in kürzerer Zeit und ein “Heranzoomen” der untersuchten Probe in kleinerem Maßstab. Dies erleichtert es, das Verhalten von Materialien im Nanometerbereich in Echtzeit zu beobachten. Es handelt sich dabei um den sogenannten Operando-Ansatz (lateinisch für “in Betrieb”). Dieser Ansatz, der auch mit anderen Instrumenten wie dem Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt werden kann, wird durch die Synchrotronstrahlung in seinen Möglichkeiten um ein Vielfaches erweitert.

Die Nachfrage nach Synchrotronen für die Durchführung von Operando-Studien ist sprunghaft angestiegen.

Mehrere Forschungsbereiche werden beeinflusst

Die Operando-Analyse unter Verwendung von Synchrotronlicht wird mittlerweile in mehreren Forschungsbereichen eingesetzt. Sie ist zu einem wertvollen Werkzeug geworden, um die Funktionsweise von Lithiumbatterien zu verfolgen und so zu versuchen, die Energiespeicherleistungen zu steigern.

Auch im Bereich der Elektronik wird mithilfe dieser Methode geforscht, um einige manifestierte Grenzen hinsichtlich der gespeicherten Informationsdichte und des Energieverbrauchs zu überwinden. Die Geochemiker Jean-Louis Hazemann, Antonio Aguilar und ihre Kollegen vom Institut Néel (CNRS) in Grenoble nutzen die Methode auch im Rahmen von Forschungsarbeiten zur Verwertung von Methan (Treibhausgas), indem sie dieses in aromatische Verbindungen umwandeln, die normalerweise mithilfe von Erdöl hergestellt werden, wie z. B. Benzol, das für die Synthese zahlreicher organischer Verbindungen (Kunststoffe, Lösungsmittel, Parfüm) verwendet wird.

Quelle : Journal du CNRS

Bild : Blick vom Monta Jalla auf das ESRF und Institut Laue-Langevin in Grenoble, CC