Neue Methode macht feinste Risse in der Schweißnaht sichtbar

Röntgenmikroskope sind aus der Untersuchung von Bauteilen und Werkstoffen nicht mehr wegzudenken. Sie erlauben es, winzige Veränderungen und Details im Material aufzuspüren. Bisher stießen diese Geräte jedoch an ihre Grenzen, wenn es darum ging, feinste Risse oder kleinste Einschlüsse in den Bildern zu erkennen. Eine neue Methode, entwickelt von Forschenden des Helmholtz-Zentrums Hereon, revolutioniert nun diese Möglichkeiten. Dunkelfeldbilder machen  Veränderungen in der Nanometerdimension sichtbar und bieten immense Vorteile für die Materialforschung und Qualitätssicherung.

Die Bedeutung der Materialqualität

In den Materialwissenschaften ist die Qualität entscheidend. Bei der Verschweißung von Metallteilen muss sichergestellt sein, dass die Schweißnähte robust und frei von inneren Rissen oder Poren sind, die später zu Schäden führen könnten. Hochleistungsmaterialien, wie sie in Elektroauto-Batterien oder Brennstoffzellen zum Einsatz kommen, benötigen perfekte Feinstrukturen, um die ungestörte Funktion sicherzustellen. Röntgenlicht hat sich hierbei als wertvolles Werkzeug erwiesen, um Werkstoffe auf Veränderungen hin zu untersuchen und mögliche Fehler aufzuspüren.

Konventionelle Röntgenbilder basieren auf der Abschwächung von Röntgenstrahlen, um Strukturen sichtbar zu machen. Diese Methode stößt jedoch an ihre Grenzen, wenn es um die Erkennung sehr kleiner oder weniger dichter Strukturen geht. Hier setzt die neue Methode an, die von den Hereon-Forschenden Sami Wirtensohn und Dr. Silja Flenner entwickelt wurde.

Die Lösung durch Streuung

Die innovative Methode nutzt nicht das abgeschwächte Licht selbst, sondern das von dem durchleuchteten Gegenstand gestreute Licht. Dieses wird in verschiedene Richtungen abgelenkt. „Strukturen im Nanometerbereich, wie etwa winzige Risse, streuen das Licht – und diese Streuung können wir sehen“, erklärt Sami Wirtensohn, Erstautor der Studie. So werden Details und Strukturen sichtbar, die mit herkömmlichen Methoden nicht oder nur schwer zu erkennen sind.

Der neue Ansatz erforderte, dass das abgeschwächte Licht des Gegenstands unterdrückt wird, damit das Streuungsbild sichtbar wird. In der Röntgenmikroskopie nutzten die Forschenden daher spezielle Optiken, die das Röntgenlicht so verändern, dass die Strahlen in einem bekannten Muster verlaufen. Durch den Einbau einer Blende können diese Röntgenlichtstrahlen blockiert werden. Das Streulicht hingegen ändert beim Durchdringen der Probe seine Richtung und kann die Blende passieren. Das Ergebnis ist ein sogenanntes Dunkelfeldbild, das erstmals eine Nanometerauflösung ermöglicht. „Damit erhalten wir jetzt eine Aufnahme, in der die Nanostrukturen durch die Streuung sehr gut sichtbar werden“, erläutert Wirtensohn.

Große Wirkung bei geringem Aufwand

Für die Materialforschung ist diese Methode ein bedeutender Fortschritt. „Erstmals steht nun eine praxistaugliche Methode für Dunkelfeld Bildgebung zur Verfügung, da sie einfach im Röntgenmikroskop umzusetzen ist“, sagt Imke Greving, Leiterin des Teams der Röntgenmikroskopie am Hereon. Die Methode kann leicht in bestehende Röntgenmikroskope integriert werden, die an großen Synchrotron-Anlagen betrieben werden. Weltweit gibt es nur wenige Dutzend dieser Teilchenbeschleuniger, doch sie könnten nun einfach mit einer Blende nachgerüstet werden, um Dunkelfeld-Mikroskopie zu ermöglichen.

Mit der innovativen Streumethode machen die Forschenden vom Helmholtz-Zentrum Hereon einen großen Schritt in Richtung präziserer und effizienterer Materialanalysen. Die Technik, die es ermöglicht, selbst feinste Risse im Nanometerbereich sichtbar zu machen, hat das Potenzial, in vielen Industrien neue Standards zu setzen und die Qualität von Produkten nachhaltig zu verbessern.