Neutronentomografie

Einblick ins Innere von Zähnen

Der Einsatz der Neutronentomografie hat zu großen Durchbrüchen in der Forschung geführt - auch in der Zahnmedizin. Denn ihre räumliche Auflösung ist 10-mal genauer als Röntgentomografien. Einen Überblicksbeitrag über bildgebende Verfahren mit Neutronen hat nun ein Team vom Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Europäischen Spallationsquelle (ESS) publiziert.

Auch Fossilien wie dieser 250 Millionen Jahre alte Lystrosaurus-Schädel lassen sich mit Neutronentomografie zerstörungsfrei untersuchen. MfN Berlin

Neutronentomograie zeigt, wie sich nach Torsion (links) oder Zugspannung (rechts) verschiedene Kristallphasen im Material verteilen. HZB/Wiley VCH

Aus der Absorption der Neutronen in der Probe werden 2-D- oder 3-D-Abbildungen errechnet - die sogenannten Neutronentomografien - sie haben zu entscheidenden Durchbrüchen in der Zahnmedizin, Kunstgeschichte, Pflanzenphysiologie, Paläobiologie, Batterieforschung oder Werkstoffanalyse geführt.

Das Einsatzgebiet: von der Untersuchung an Zähnen bis zur Analyse alter Ritterrüstungen

Die Einsatzmöglichkeiten reichen von der Beobachtung des Lithium-Ionentransports in Batterien und Festigkeitsanalysen von Industriekomponenten über Untersuchungen an Zähnen oder Knochen oder dem Wurzelwerk von Pflanzen bis hin zur zerstörungsfreien Analyse von historischen Objekten wie alten Schwertern und Ritterrüstungen, um Hinweise auf Fertigungsmethoden früherer Zeiten zu erhalten

Neutronen dringen dabei tief ins Innere der Probe ein, ohne sie dabei zu zerstören. Außerdem unterscheiden sie auch leichte Elemente wie Wasserstoff, Lithium oder Wasserstoff-haltige Substanzen voneinander. Weil sie selbst ein magnetisches Moment besitzen, reagieren sie auf kleinste magnetische Strukturen im Materialinnern. Dies macht Neutronen zu einem vielseitigen und mächtigen Werkzeug für die Materialforschung.

Neutronenbildgebung: die räumliche Auflösung ist 10-mal genauer als Röntgentomografien

Wie die Autoren in ihrem Übersichtsbeitrag schreiben, hat sich die räumliche Auflösung in der Neutronenbildgebung bis in den Mikrometerbereich gesteigert - das ist mehr als 10-mal genauer als es medizinische Röntgentomografien sind.

Aufgrund der rascheren Aufnahmen ist es auch möglich, Prozesse in Materialien zu beobachten: Ein Beispiel sind die "in operando"-Messungen einer Brennstoffzelle im laufenden Betrieb, die zeigen, wie genau sich dort Wasser verteilt. Dies liefert wichtige Hinweise für das optimale Design der Zelle.

"Die Neutronentomografie ist extrem vielseitig nutzbar. Wir arbeiten daran, weitere Verbesserungen zu erreichen, und hoffen, dass diese stark nachgefragte Methode künftig auch an modernen Spallationsquellen zur Verfügung steht", sagt Erstautor Nikolay Kardjilov.

Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Robin Woracek, André Hilger, John Banhart, "Advances in neutron imaging", in: Materials Today 2018, doi: 10.1016/j.mattod.2018.03.001

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