Technologie

Warum Elektronen

Ein Lichtmikroskop löst zwei Punkte nur dann getrennt auf, wenn ihr Abstand größer ist als etwa die halbe Wellenlänge des Lichts (Abbe):

d ≈ λ / (2 · NA)  →  mit λ ≈ 400–550 nm und NA ≈ 1,4: d ≈ 150–200 nm

Viren, Ultrafeinstaub und Nanoplastik sind oft deutlich kleiner. Ein Virus misst etwa 100 Nanometer.

Elektronen haben eine Wellenlänge, die mit der Beschleunigungsspannung U sinkt:

λ ≈ 1,23 nm / √(U / V)  →  bei 5 kV: λ ≈ 17 pm

Das ist rund zehntausendmal weniger als bei sichtbarem Licht. Die Wellenlänge begrenzt die Auflösung deshalb praktisch nicht mehr. Entscheidend wird, wie fein sich der Elektronenstrahl bündeln lässt.

So entsteht ein Bild

Ein Rasterelektronenmikroskop macht kein Foto. Oben sendet eine Quelle Elektronen aus. Linsen bündeln sie zu einem sehr feinen Strahl, eine Ablenkung führt ihn über die Probe: Punkt für Punkt, Zeile für Zeile, wie früher der Strahl im Röhrenfernseher.

An jedem Punkt zählt ein Detektor, wie viele Elektronen zurückkommen. Viele heißt hell, wenige heißt dunkel. Schwere Stoffe wie Metalle werfen mehr Elektronen zurück als leichte wie Kunststoff – so verrät die Helligkeit auch, woraus ein Teilchen besteht.

Bildqualität ist Elektronenzählen: Wenige Elektronen je Punkt geben ein verrauschtes Bild, viele ein klares – das kostet Zeit. Genau hier setzt unsere KI an.

Warum Vakuum – und unser Fenster

Elektronen kommen an Luft nicht weit: Schon nach Bruchteilen eines Millimeters stoßen sie mit Gasmolekülen zusammen und werden abgelenkt. Deshalb steht die Probe in herkömmlichen Elektronenmikroskopen im Vakuum. Das hat seinen Preis: Sie wird getrocknet, oft mit Metall bedampft – Lebendes, Feuchtes und Bewegtes geht verloren, und ein Labor ist Pflicht.

Unser Ansatz ist ein Fenster: ein Häutchen aus Siliziumnitrid, viel dünner als ein Haar, das das Vakuum von der Probe trennt. Der Strahl geht hindurch, die Probe bleibt an Luft oder in Flüssigkeit – ohne Vakuum an der Probe und ohne Probenaufbereitung.

Der Haken: Direkt am Fenster bleibt der Strahl fein und das Bild scharf. Je weiter ein Teilchen vom Fenster entfernt ist, desto mehr läuft der Strahl auseinander. Wie stark, sagt unser physikalisches Modell voraus – Elektron für Elektron. Daraus folgen die Bauregeln für das Gerät, und daraus lässt sich ein Teil der Unschärfe rechnerisch zurückholen.

Aufbau des Strahlengangs

Unsere Elektronenoptik entwickeln wir selbst. Der Strahlengang folgt dem Prinzip des Rasterelektronenmikroskops, von der Quelle bis zum Bild:

1. Glühkathode Eine thermische Elektronenquelle.
2. Wehneltzylinder Formt die austretende Elektronenwolke und bündelt sie zu einem ersten Überkreuzungspunkt.
3. Anode Beschleunigt die Elektronen.
4. Elektromagnetische Linse Fokussiert den Strahl auf die Probe. Heute arbeiten wir mit einem elektromagnetischen Linsensystem; Fernziel sind elektrostatische Linsen, die sich noch kompakter bauen lassen.
5. Ablenkung Führt den Strahl horizontal und vertikal Zeile für Zeile über die Probe – gesteuert von unserer eigenen Elektronik.
6. Detektor und Bildaufbau Aus dem Signal jedes Rasterpunkts entsteht das Bild.

Auslegung und physikalisches Modell

Elektronenlinsen lassen sich ähnlich wie optische Linsen berechnen. Wir bestimmen die Feldverteilung eines Linsensystems mit der Finite-Elemente-Methode (FEMM); aus dem Feldverlauf entlang der Rotationsachse ergibt sich die Brennweite (nach Reimer). Die Auslegung haben wir mit mehreren unabhängigen Rechenverfahren gegengeprüft.

Heute arbeiten wir mit einem elektromagnetischen Linsensystem. Elektrostatische Linsen sind unser Fernziel: Sie lassen sich noch kompakter bauen.

Dazu kommt ein physikalisches Modell des ganzen Geräts: eine Monte-Carlo-Rechnung, die den Strahl Elektron für Elektron durch Fenster, Luft und Probe verfolgt und an veröffentlichten Messdaten geprüft ist. Es sagt voraus, was das Gerät sehen kann – und liefert Trainingsbilder, bei denen wir die richtige Antwort kennen.

Überprüfung im Hochvakuum

Jede Ausführung des Strahlsystems wird in einer Vakuumkammer auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht, zunächst in einer Rezipientenglocke mit Leuchtschirm, auf dem sich der Strahldurchmesser beobachten lässt. Simulation und Messung werden abgeglichen, bis das Modell die Auslegung zuverlässig vorhersagt.

Dafür betreiben wir in unserem Labor in Künzelsau Hochvakuum-Teststände mit Turbomolekularpumpen sowie Rasterelektronenmikroskope.

Physical AI

KI-Software kann heute fast jeder einsetzen. Im Vorteil ist, wer sie mit eigener Messhardware verbindet. Bei MeiLuft arbeitet die KI auf zwei Ebenen:

• Im Bild. Sie verbessert verrauschte und verwischte Aufnahmen und soll jedes einzelne Teilchen nach Form und Material erkennen. Trainiert wird sie an Bildern aus unserem physikalischen Modell, bei denen wir die richtige Antwort kennen – nur so lässt sich messen, ob sie wirklich mehr Teilchen findet oder nur schönere Bilder malt.
• Am Gerät. Sie soll das Mikroskop selbst steuern – bis auf die Ebene der Spulen und des Rastersignals, mit eigener Elektronik und Software. Unser Versuchsmikroskop rastert bereits mit dieser Steuerung und findet Teilchen selbst, heute noch mit klassischer Bildverarbeitung. Der nächste Schritt ist ein Forschungsagent, der Messungen plant und ausführt.

KI-Agenten an Elektronenmikroskopen sind ein junges Forschungsfeld; erste Arbeiten setzen auf fertige Geräte und deren Herstellerschnittstellen. Unser Unterschied: die eigene Hardware bis zum Strahl, ein physikalisches Modell des Geräts – und ein Mikroskop, das an der Luft misst.

Erste Bilder

Aufgenommen mit unserem Versuchsmikroskop und eigener Gerätesteuerung. Das Gerät ist noch nicht kalibriert, deshalb tragen die Bilder keinen Maßstab.

Einordnung für Forschende

Elektronenmikroskopie außerhalb des Hochvakuums ist kein neues Ziel. Drei Bauarten haben sich gezeigt:

1. Geschlossene Nasskapsel. Die Probe liegt in einer Kapsel hinter einer Membran, im sonst üblichen Mikroskop (Thiberge u. a. 2004).
2. Umgedrehtes Mikroskop mit offener Schale. Die Säule blickt von unten durch eine Siliziumnitrid-Membran in eine offene Probenschale bei Atmosphärendruck (ASEM; Nishiyama u. a. 2010). Damit wurden Nanoteilchen ab etwa 30 nm direkt in Flüssigkeit nachgewiesen (Luo u. a. 2013).
3. Ganz ohne Probenkammer. Elektronenmikroskopie direkt in Luft (AirSEM; Nguyen, Holtz, Muller 2013).

Dazu kommen die Flüssigzell-Elektronenmikroskopie in Transmission (Übersicht: de Jonge & Ross 2011) und das Umgebungs-REM (ESEM), das mit Restgas arbeitet, aber nicht bei vollem Atmosphärendruck.

Was MeiLuft anders macht:

• Kompakt und an der Luft – gedacht für den Einsatz dort, wo die Teilchen entstehen, nicht nur im Labor.
• Eigene Hardware bis zum Strahl: eigene Elektronenoptik, eigene Elektronik und Software für Rasterung und Signalerfassung.
• Physikalisches Modell als Grundlage: Es sagt voraus, was das Gerät sehen kann, und liefert Trainingsdaten mit bekannter Lösung.
• Physical AI: KI, die nicht nur auswertet, sondern das Mikroskop steuert. Agentische KI an Elektronenmikroskopen ist seit 2026 ein sichtbares Forschungsfeld (etwa Wall u. a. 2026; Zhang u. a. 2026) – bisher an fertigen Geräten über Herstellerschnittstellen.

Offene Fragen, an denen wir arbeiten:

• Wie weit darf ein Teilchen vom Fenster entfernt sein, damit es scharf bleibt?
• Wie schnell darf sich ein Teilchen bewegen, damit es noch abgebildet werden kann?
• Wie viel holt eine physikgestützte KI aus verrauschten, verwischten Bildern heraus – und wie prüft man das ehrlich, wenn es kein sauberes Vergleichsbild gibt?

1. S. Thiberge u. a.: Scanning electron microscopy of cells and tissues under fully hydrated conditions. PNAS 101 (2004) 3346–3351. doi:10.1073/pnas.0400088101
2. H. Nishiyama u. a.: Atmospheric scanning electron microscope observes cells and tissues in open medium through silicon nitride film. J. Struct. Biol. 169 (2010) 438–449. doi:10.1016/j.jsb.2010.01.005
3. N. de Jonge, F. M. Ross: Electron microscopy of specimens in liquid. Nat. Nanotechnol. 6 (2011) 695–704. doi:10.1038/nnano.2011.161
4. P. Luo u. a.: Visualization and characterization of engineered nanoparticles in complex environmental and food matrices using atmospheric scanning electron microscopy. J. Microsc. 250 (2013) 32–41. doi:10.1111/jmi.12014
5. K. Nguyen, M. Holtz, D. Muller: AirSEM: Electron Microscopy in Air, without a Specimen Chamber. Microsc. Microanal. 19 (S2) (2013) 428–429. doi:10.1017/s1431927613004133
6. M. K. Wall u. a.: TEM Agent: enhancing transmission electron microscopy with modern AI tools. npj Comput. Mater. 12, 316 (2026). doi:10.1038/s41524-026-02103-z
7. K. Zhang u. a.: AutoRASOR: Autonomous Rapid Scanning Electron Microscope Operator. arXiv:2609.22411 (2026). arxiv.org/abs/2609.22411

Sie arbeiten an Elektronenoptik, Probenzuführung oder Bildauswertung und möchten mit uns zusammenarbeiten? Schreiben Sie uns an durchatmen@meiluft.de.

Begriffe

Rasterelektronenmikroskop (REM)

Tastet eine Probe mit einem feinen Elektronenstrahl Punkt für Punkt ab und setzt daraus ein Bild zusammen.

Rückstreuelektronen

Elektronen, die von der Probe zurückgeworfen werden. Schwere Stoffe werfen mehr zurück – daraus entsteht Materialkontrast.

Fenster (Membran)

Elektronendurchlässiges Häutchen aus Siliziumnitrid, das Vakuum und Probe trennt.

Nanometer

Ein Millionstel Millimeter. Ein Virus misst etwa 100 Nanometer, ein Haar rund 50 000 bis 100 000.

Ultrafeinstaub

Partikel in der Luft unter 100 Nanometer.

Nanoplastik

Kunststoffteilchen unter einem Mikrometer.

Physical AI

KI, die nicht nur Daten auswertet, sondern Hardware steuert.

Physikalisches Modell

Auch digitaler Zwilling: eine Rechnung, die vorhersagt, was das Gerät sehen wird – Elektron für Elektron.

Häufige Fragen

Ist das ein Elektronenmikroskop?
Ja – ein kompaktes Rasterelektronenmikroskop, bei dem die Probe nicht ins Vakuum muss.

Warum nicht einfach ein Lichtmikroskop?
Licht kann nichts Kleineres als etwa 200 Nanometer auflösen. Viele der Teilchen, um die es geht, sind kleiner.

Gibt es das nicht schon?
Teilweise. Elektronenmikroskope mit Fenster gibt es in der Forschung, etwa für Proben in Flüssigkeit. Neu ist die Verbindung: kompakt, an der Luft, mit eigener Steuerung bis zum Strahl und einer KI, die Bilder verbessert, Teilchen erkennt und das Gerät selbst bedient.

Wann gibt es das Gerät?
Wir bauen den Prototyp; wie schnell es geht, hängt von der Finanzierung ab.

Wie klein kann es sehen?
Das zeigen wir mit dem Prototyp.