Mannometer: Nanometer!


		Übersicht
		Der Blick in das Kleine Vom optischen Hilfsmittel … … zum unentbehrlichen Forschungsinstrument Das Auge Auflösungsvermögen optischer Instrumente Methoden der Lichtmikroskopie Vom Photon zum Elektron Bildnachweis

Der Blick in das Kleine

Mit der Erfindung des Mikroskops vor etwa 400 Jahren werden unbekannte Feinstrukturen erstmals sichtbar. Das Mikroskop entwickelt sich zu einem wichtigen Hilfsmittel in den Naturwissenschaften und der Medizin: Es ermöglicht Pionierleistungen

wie die Entdeckung der Zelle als Strukturelement allen Lebens (Matthias Jakob Schleiden, 1838) oder die Erforschung von Krankheitserregern. Die Entwicklung von Elektronen- und Rastertunnelmikroskopen erschließt den atomaren Bereich.

Anatomie des Flohs. Kupferstich von G. P. Nußbiegel.



Lichtmikroskopische Aufnahme eines Katzenflohs.		Elektronenmikrosko-pische Aufnahme eines Katzenflohs.

Diskussionsmikroskop von Christiane Nüsslein-Volhard.
Die Nobelpreisträgerin nutzt das Mikroskop zusammen mit Eric Wieschaus zur Untersuchung ihrer genetischen Versuche an der Fruchtfliege »Drosophila melanogaster«, im Deutschen Museum Bonn.


Vom optischen Hilfsmittel …
	Schon in der Antike ist die Vergrößerungswirkung von wassergefüllten Glaskugeln bekannt. Der islamische Wissenschaftler Alhazen (965 – 1039) gilt als Wegbereiter für die Erfindung des Lesesteins – eine Lesehilfe aus geschliffenem Bergkristall. Vermutlich konstruieren die niederländischen Brillenmacher Hans und Zacharias Jansen um 1590 das erste Mikroskop. Der Name »microscopium« wird	gegen 1625 in einer Forschergemeinschaft um Galileo Galilei geprägt. Im 17. und 18. Jahrhundert dient die Mikroskopie hauptsächlich der Unterhaltung beim Betrachten von Flöhen und anderen Insekten. Nur ein kleiner Kreis von Naturforschern, wie Antoni van Leeuwenhoek, Robert Hooke und Isaac Newton, nutzt das Mikroskop als wissenschaftliches Hilfsmittel.



	links: Nachbildung einer Visby-Linse (Lesestein). rechts: Nachbildung eines Mikroskops von Zacharias Jansen, gebaut um 1590. Tubus aus Eisenblech.	links: Antoni van Leeuwenhoek (1632 – 1723) beobachtet als erster Bakterien im menschlichen Speichel. Silbernes Mikroskop mit Objekthalter. rechts: Mikroskop von Robert Hooke (1635 – 1703).

… zum unentbehrlichen Forschungsinstrument

Mit Beginn des 19. Jahrhunderts wird die Leistungsfähigkeit der Mikroskope systematisch weiterentwickelt. Carl Zeiss und Ernst Abbe treiben ab 1866 die Entwicklung des Mikroskopbaus in Theorie und Praxis entscheidend voran. Aufgrund der stetigen Verbesserung des Mikroskops gelingen bahnbrechende Entdeckungen in Medizin und Biologie. Robert Koch (1843 – 1910) entdeckt Milzbrand- und

Choleraerreger – der erste Schritt zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten. Die Entwicklung der Durchstrahlungs-Elektronenmikroskope ab 1931 durch Ernst Ruska und Max Knoll ebnet den Weg in die Nanowelt. Das 1981 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer konstruierte Rastertunnelmikroskop erlaubt erstmals die Beobachtung einzelner Atome.

links: Forschungsmikroskop von Carl Zeiss, Jena, 1879.
mitte: Das von Edmund Hartnack um 1885 in Potsdam gebaute Mikroskop ist insbesondere für die Untersuchung von Bakterien geeignet.
rechts: Elektronenmikroskop von Ernst Ruska und Max Knoll, 1931 (Nachbau von Ernst Ruska).


Das Auge
	Das menschliche Auge ist ein optisches System, vergleichbar einem Fotoapparat. Für die Abbildung sorgt eine Linse, deren Krümmung sich durch Muskelspannung ändert. Die hintere Wand bildet die Netzhaut, welche die Lichtrezeptoren enthält: 130 Millionen Stäbchen für die Erkennung von Graustufen und 7 Millionen Zapfen für die Farberkennung.	Diese reagieren auf Lichteinstrahlung mit elektrischen Impulsen, die über den Sehnerv an das Gehirn gesendet werden. Damit ein Gegenstand scharf gesehen wird, muss der Brennpunkt der Linse exakt auf der Netzhaut liegen. Die Größe der wahrgenommenen Abbildung hängt vom Abstand des Gegenstandes zum Auge ab.

		Eine Linse (1) wirft ein reelles Bild auf die Netzhaut (Retina, 2). Die Pupille (3) regelt die Helligkeit. Der Sehnerv (4) meldet Signale an das Gehirn.

Auflösungsvermögen optischer Instrumente

Als Auflösungsvermögen bezeichnet man die Fähigkeit, zwei eng benachbarte Bildpunkte voneinander zu unterscheiden. Es ist begrenzt durch Beugungserscheinungen. Unter Beugung wird die Abweichung einer Wellenausbreitung, beispielsweise von Licht, vom geradlinigen Strahlengang verstanden. Auch an einer Linsenfassung oder Blende tritt Beugung auf: Bei der Abbildung einer punktförmigen Lichtquelle entstehen Ringe um den Bildpunkt. Bildet man zwei oder mehr Punkte ab, so überlagern sich diese Ringe und das Bild wird für das Auge nicht mehr auflösbar. Mit dem Lichtmikroskop kann man bestenfalls zwei Punkte unterscheiden, deren Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegt, also bei etwa 400 Nanometern.

		Ein Loch in einer Metallfolie (1) wird durch Tubuslinsen (2) als unscharfer Fleck abgebildet, der von Beugungsringen (3) umgeben ist. Intensitätsverlauf (4).

		Das Auge unterscheidet nur dann zwei Punkte, wenn die Intensität im »Tal« zwischen den Maxima um 20% verringert ist.


		Ascorbinsäure


Methoden der Lichtmikroskopie
	Verschiedene lichtmikroskopische Verfahren ermöglichen die Bearbeitung spezifischer Fragestellungen. Zur Kontrasterhöhung werden häufig angefärbte Präparate verwendet. Die Phasenkontrastmethode nutzt den Laufzeitunterschied, den ein das Präparat durchstrahlender Lichtstrahl gegenüber einem vorbeigehenden Lichtstrahl aus der gleichen Quelle erfährt.		Diese Differenzen werden in Helligkeitswerte umgewandelt. Polarisationsverfahren gestatten auch die Untersuchung von Mineralen. Dabei wird linear polarisiertes Licht benutzt – das ist Licht, dessen Lichtwellen in nur einer Ebene schwingen. Das Kristallgitter einiger Minerale bewirkt eine Drehung der Schwingungsebene um einen spezifischen Drehwinkel.



Mikroskopische Aufnahmen von Ascorbinsäure (Vitamin C, 50fache Vergrößerung), Hellfeldverfahren		Phasenkontrastverfahren		Polarisationsverfahren


Vom Photon zum Elektron
	Das Auflösungsvermögen von Lichtmikroskopen wird mit der Erfindung des Elektronenmikroskops um den Faktor 100 bis 1.000 erhöht. Elektronenstrahlen haben eine 100.000-mal kürzere Wellenlänge als Licht; das Auflösungsvermögen von Elektronen-mikroskopen liegt damit unter einem Nanometer. Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) verwendet anstelle von Licht	Elektronen als Strahlungsquelle. Allerdings können mit dem TEM nur durchstrahlbare Präparate untersucht werden. Beim Rasterelektronenmikroskop (REM) tastet dagegen ein Elektronenstrahl das Präparat schrittweise ab. Die empfangenen Signale liefern plastische Bilder der Objekte und erlauben eine Analyse des untersuchten Materials.



	Digitales Rasterelek- tronenmikroskop DSM 950.	Ameise mit mikrotechnischem Getriebe der Firma IMM GmbH (Institut für Mikrotechnik Mainz). Aufnahme mit einem REM.


Bildnachweis

	Martin Ledermiller: Mikroskopische Gemüts- und Augenergötzung,1760. Deutsches Museum.	Deutsches Museum	Gerhard Wanner, Botanisches Institut der LMU München.


	Deutsches Museum	Deutsches Museum	Deutsches Museum


	Deutsches Museum	J. Zahn: Oculus artificialis teledioptricus, Nürnberg, 1702. Deutsches Museum.	Timo Mappes, Karlsruhe


	Timo Mappes, Karlsruhe	Deutsches Museum	thema gestaltung münchen


	thema gestaltung münchen	thema gestaltung münchen	Anja Hartmann, Braunschweig


	Deutsches Museum	Deutsches Museum