Flüssigphasen-3D-Elektronenmikroskopie für Materialwissenschaften und Biologie

• Antragsteller: Professor Dr. Niels De Jonge
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446340166

Elektronenmikroskopie wird traditionell mit der Untersuchung dünner, fester Proben im Vakuum in Verbindung gebracht. Im letzten Jahrzehnt haben einige Gruppen Pionierarbeit bei Systemen geleistet, die eine Auflösung von Nanometern für flüssige Proben erreichen. Die breite Anwendbarkeit der Flüssigphasenelektronenmikroskopie hat zu einer Welle von Interesse geführt, da sie aufregende Möglichkeiten für die Lösung großer Herausforderungen in den Bereichen Materialwissenschaft, Chemie, Biologie und anderen Bereichen eröffnet und den Weg für "Operando"-Studien geöffnet hat. Unabhängig vom Anwendungsbereich ist zum Verständnis der Struktur häufig eine dreidimensionale (3D) Darstellung der Probe in Flüssigkeit erforderlich. Die Hauptmethode, die derzeit verwendet wird, um Einblick in die 3D-Struktur im Nanometerbereich einzigartiger Proben aus der Biologie und Materialwissenschaft zu erhalten, ist die Transmissionselektronenmikroskopie mit Neigungsserie. Insbesondere die Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (Engl.: STEM) eignet sich gut für die Untersuchung von dicken Proben wie flüssigen Proben. Das Ziel dieses Vorschlags ist die Etablierung von Liquid 3D STEM als neue Mikroskopie-Modalität, die einen einzigartigen Weg für die Charakterisierung von Proben in Flüssigkeit aus der Materialwissenschaft und der Biologie im Nanomaßstab darstellt. Liquid 3D STEM bietet im Vergleich zur modernen 3D-Elektronenmikroskopie verbesserte Fähigkeiten, da es die Möglichkeit bietet, Proben in Flüssigkeit zu untersuchen. Das Projekt profitiert von der Synergie zweier führender Zentren für In-situ-Elektronenmikroskopie, INSA in Lyon mit Schwerpunkt Materialwissenschaft und INM in Saarbrücken (Deutschland), deren Forschung sich auf Biophysik konzentriert. Die Technik wird gemeinsam entwickelt, wobei das komplementäre Fachwissen beider Gruppen zusammengetragen wird. Jede Gruppe verwendet Liquid 3D STEM, um ein System zu untersuchen, mit dem sie bereits über mehrere Jahre Erfahrung verfügt. Durch die Kombination von Anstrengungen und Fachwissen erwarten wir, die Hauptschwierigkeiten der Experimente überwinden zu können (Empfindlichkeit des Elektronenstrahls, geringer Kontrast, große Dicke). Die Etablierung dieser Technik würde einen neuen Weg für die Charakterisierung von Proben aus Materialwissenschaft und Biologie im Nanomaßstab eröffnen. Das Projekt besteht aus 4 Arbeitspaketen (Engl: WPs). Zwei davon sind der Instrumentierung gewidmet: theoretische und rechnerische Aspekte (WP1) und Implementierung von Liquid 3D STEM mit optimierten Mikroskope-Einstellungen (WP2). Die beiden anderen WP betreffen die Anwendung der neu etablierten Technik in der Materialwissenschaft (Bestimmung der Tensidverteilung in Latexsuspensionen, WP3) und auf biologische Proben (Untersuchung des Nanopartikel-Interzellular-Schicksals, WP4).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr.-Ing. Karine Masenelli-Varlot