Bei medizinischen Röntgenaufnahmen entsteht das Bild durch die unterschiedliche Abschwächung der Röntgenstrahlen im Körper. Um Werkstoffe oder biologische Gewebe detailliert zu untersuchen, greift die Fachwelt zu erweiterten Verfahren, die zusätzliche Informationen liefern, etwa der Dunkelfeld-Bildgebung.
Sie macht sich zu Nutze, dass Röntgenstrahlen an inneren Grenzflächen und Unregelmäßigkeiten gestreut, also abgelenkt werden. „Aus der Streuung lässt sich viel über innere Strukturen lernen, die man nicht direkt erkennt“, erklärt Hereon-Forscher Sami Wirtensohn, Erstautor der Studie.
Röntgen-Dunkelfeld verbessert
Um diese feinen Strukturen sichtbar zu machen, wird bei der Dunkelfeld-Methode der direkte Röntgenstrahl ausgeblendet. Dadurch erfasst der Detektor nur jene Strahlung, die im Inneren der Probe gestreut wird. Bisher zeigt das Verfahren nur, dass solche Strukturen vorhanden sind, nicht jedoch, wie sie räumlich ausgerichtet sind.
Dieses Manko kann nun ein Team beseitigen, an der neben dem Hereon Arbeitsgruppen aus Hamburg, München, Wien, Shanghai und Villigen (Schweiz) beteiligt waren. „Wir können die Streuung jetzt auch richtungsabhängig auswerten“, erklärt Wirtensohn. „Dadurch lässt sich herausfinden, wie die Nanostrukturen ausgerichtet sind – und zwar pixelweise und unterhalb der Auflösungsgrenze.“
Einfacher Trick mit großer Wirkung
Der experimentelle Kniff ist erstaunlich simpel und lässt sich mit wenig Aufwand an bestehende Apparaturen anpassen: Zusätzliche Blenden im Strahlengang sorgen dafür, dass die Probe nacheinander aus verschiedenen Blickwinkeln beleuchtet wird. Aus der Kombination mehrerer Aufnahmen lässt sich rekonstruieren, wie die inneren Strukturen orientiert sind. Um das Verfahren zu testen, experimentierte das Team am Forschungszentrum DESY in Hamburg.
Dort liefert der Speicherring PETRA III intensive und gebündelte Röntgenstrahlung. An der vom Hereon betriebenen Bildgebungs-Strahllinie P05 untersucht das Team unter anderem nanoporöses Silizium und menschlichen Zahnschmelz mit einer Mineralisationsstörung.
Gerade hier zeigte sich die Stärke des Verfahrens: Die Zahnschmelz-Nanokristalle sind wenige Dutzend Nanometer groß – dennoch ließ sich ihre Ausrichtung erfolgreich messen. „Wir sehen nicht nur, dass etwas streut, sondern auch, wie es orientiert ist“, erklärt Koautorin Dr. Silja Flenner. „Besonders sensitiv sind wir für Strukturen im Bereich von 30 bis 70 Nanometern – also dort, wo eine zerstörungsfreie Untersuchung mit klassischen Bildgebungsverfahren schwierig wird.“
Struktur bestimmt Materialeigenschaften
Die Zusatzinformationen über die Ausrichtung von Nanostrukturen könnten in mehrfacher Hinsicht nützlich sein. In der Materialforschung bestimmen sie, wie stabil, leitfähig oder belastbar ein Werkstoff ist – etwa bei porösen Metallen, funktionalen Nanomaterialien oder in der Batterieforschung. Und in der Biomedizin liefern sie Hinweise darauf, wie sich krankhafte Veränderungen auf der Nanoskala äußern, etwa im Zahnschmelz oder in Knochenstrukturen.
So wird im Rahmen des Exzellenzclusters „BlueMat: Water-Driven Materials“ untersucht, wie sich die Verteilung und Dynamik von Wasser in Materialien durch nanoskalige Strukturen maßgeblich bestimmen lassen. Dieses Verständnis ist nicht nur für die Entwicklung funktionaler Materialien entscheidend, sondern liefert auch grundlegende Erkenntnisse für angrenzende Forschungsfelder. Erst die präzise Kenntnis struktureller Eigenschaften bis hinunter zur Nanoskala ermöglicht es, Prozesse in modernen chemischen Reaktoren realistisch zu modellieren, fundiert zu verstehen und gezielt zu optimieren.
Quelle: Helmholtz-Zentrum Hereon
Originalpublikation: Sami Wirtensohn et al.; Directional dark field for nanoscale full-field transmission X-ray microscopy; Light Science & Applications, Mai 2026, DOI: 10.1038/s41377-026-02263-z
