Zerstörungsfreie Zusammenarbeit

Am Forschungsstandort Graz versprechen zwei neue Micro-CT-Kammern tiefe Einblicke in die Strukturen von Materialien. 13 Institute der MedUni Graz, der TU Graz und der Uni Graz demonstrieren, wie wissenschaftliche Kooperation funktionieren kann.

Wie verteilt sich der Wirkstoff in einer Tablette? Wie verändert sich ein Stück Aorta durch mechanische Fremdeinwirkung? Wie reagiert Beton im Inneren, wenn er mit Säure in Kontakt kommt? Zwei unscheinbare weiße Boxen an der TU Graz geben Antworten auf diese Forschungsfragen. Und sie läuten eine neue Ära der interdisziplinären Zusammenarbeit an den Grazer Universitäten ein: Das neue Micro-CT-Lab der TU Graz steht insgesamt 13 Ins­tituten der TU Graz, der MedUni Graz und der Karl-Franzens-Universität Graz offen. Mit den beiden neuen Micro-CT-Geräten der Firma Tescan können via Röntgenstrahlen Strukturveränderungen in Proben der verschiedensten Materialien auf Mikroebene untersucht und beforscht werden. Für die gemeinsame Umsetzung des Kollaborationsprojekts wurde das interuniversitäre Graz-µCT consortium gegründet, das sich aus Forschern der 13 Institute zusammensetzt. Gefördert wird das Projekt von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG).

Tiefe Einblicke ohne Zerstörung

Die Zusammenarbeit begann Anfang des Jahres. Eröffnet wurde das Labor am 20. April – wegen Corona zwei Monate nach dem geplanten Eröffnungstermin. Mit den beiden Geräten will man die Grundlagenforschung an den Unis in den Bereichen Medizin, Pharmaforschung, Geologie, Metallurgie sowie in der Papier- und Zellstofftechnik vorantreiben. Die Geräte sind österreichweit die ersten ihrer Art an universitären Einrichtungen: Sie erlauben In-Situ-Experimente. „Mit den beiden Micro-CT-Geräten können wir tief in die Materialstruktur einer Probe schauen, ohne die Probe zu zerstören –, und gleichzeitig an der Probe Veränderungen vornehmen und deren Effekte analysieren“, erklärt Labor- und Konsortiumsleiter Robert Schennach. Er lehrt und forscht als Universitätsprofessor am Institut für Festkörperphysik an der TU Graz, dem Standort des Labors. Ist erst einmal die Probe platziert – was je nach Material ein eigenes Setup benötigt – , können die Röntgenstrahlen bis auf die Mikroebene der Probe eindringen. Den unterschiedlichsten Forschungsfragen sind die Wissenschaftler in den letzten Wochen bereits auf den Grund gegangen.

Mit Papiermaterialien, Vulkangestein, Betonproben, einem Stück Aorta oder Tabletten wurden diverse Materialien aus verschiedenen Forschungsfeldern getestet. In der universitären, aber auch angewandten Forschung gebe es im anorganischen Bereich kaum Grenzen: „Alles, was als Probe in das Gerät passt, kann in seiner Tiefenstruktur analysiert werden“, sagt Robert Schennach. Die so gewonnenen neuen Forschungserkenntnisse können auch den Kickstart für Produktentwicklungen und -innovationen bilden – die Geräte sind also auch für die angewandte Forschung in der Industrie interessant, so Schennach.

Die beiden Geräte Tescan UniTom HR und XL unterscheiden sich in der Probengröße und Auflösung: „Ein Gerät liefert eine hohe Auflösung bis hin zu 800 Nanometern, das zweite schafft drei bis vier Mikrometer in 3D-Auflösung – dafür kann man größere Proben analysieren“, so Schennach. Die Messungen mit den Micro-CT-Geräten können weiteren Messungen wie etwa an Elektronenmikroskopen oder am kostspieligen Synchrotron, einem Teilchenbeschleuniger, vorangehen.

Faire Forschung. Im Zentrum des Grazer Forschungs­konsortiums stehen zwei leistungsstarke Micro-CT-Kammern, die tiefe Einblicke in Materialstrukturen erlauben. Im Bild Laborleiter Robert Schennach (Vordergrund) und Senior Scientist Eduardo Machado Charry.

Gemeinsame Forschung im Labor

Die kollaborative Forschung ist zentrales Anliegen des Konsortiums. „Grundsätzlich finden alle Messungen an den Mikro-CT-Geräten interdisziplinär in direkter Zusammenarbeit statt“, sagt Robert Schennach. Er selbst forscht etwa schon sehr lange gemeinsam mit dem Institut für Biobasierte Produkte und Papiertechnik über den Einflussfaktor Feuchtigkeit auf die Papierbeschaffenheit. Auch zwischen der MedUni Graz und der TU Graz gibt es eine enge Zusammenarbeit im Bereich Biomechanik: „Hier forschen wir zur Widerstandsfähigkeit der Aorta oder auch zum Einfluss von Klammern auf die Magenwand“, erläutert Robert Schennach. „Die Partner der jeweiligen Institute kommen mit einer Probe und einer möglichst konkreten Forschungsfrage zu uns, wir unterstützen bei der Durchführung der Probentestung, der Analyse und Auswertung der Daten“, so Schennach.

Die Kollegen melden sich mit einer Forschungsfrage im Labor an, „gemeinsam reflektieren und konkretisieren wir die Aufgabe und bauen einen Probenhalter, der genau zur jeweiligen Probe passt“, erzählt der Laborleiter. Das sei „immer eine Bastelei“. Unterstützung im Labor erhält Robert Schennach von Senior Scientist Eduardo Machado Charry. Grundsätzlich „wird jede Materialprobe auf einem rotierenden Probenhalter befestigt und dreht sich, während sie mit Röntgenstrahlung beschossen wird. So erhalten wir ein dreidimensionales Abbild der Probe, das am Computer visualisiert werden kann und uns in die Materialstruktur blicken lässt“, erklärt Machado Charry. Seine Forschungsstelle wurde von der TU Graz eigens für das Kollaborationsprojekt eingerichtet. Machado Charry ist für das Design und die Anordnung der Versuchsaufbauten zuständig. Er bereitet die Proben auf, schult die Forschungskollegen hinsichtlich des Setups und der mathematischen Algorithmen ein und bespricht mit ihnen die Datenauswertung und die Ergebnisse. „Pro Versuch müssen immerhin mehrere Gigabyte Daten verarbeitet werden“, erklärt Robert Schennach. Für die sichere Speicherung der großen Datenmengen hat man Zugang zu den Forschungsdatenplattformen Cyverse Austria und InvenioRDM geschaffen.

Faire Zeitslots

Pro Jahr sind fünf bis zehn Messungen pro Institut vorgesehen. Die Zeitkontingente sind gleichmäßig auf die Institute verteilt. Man möchte die Zusammenarbeit aber je nach Bedarf flexibel halten. „Benötigt ein Institut sein Messzeitenkontingent gerade nicht, können es auch andere Institute verwenden“, so Schennach. Sollte ein Ins­titut für eine Forschungsfrage regelmäßig Messungen durchführen, werden auch die Mitarbeiter für das Forschungssetup an den Geräten eingeschult, um unabhängig Tests durchführen zu können: „Das macht etwa bei Dissertationen Sinn“, so Schennach. Konkret nehmen zehn Institute der TU Graz am Konsortium teil. Von der Med­Uni Graz ist die Klinische Abteilung für Neuroradiologie, vaskuläre und interventionelle Radiologie vertreten, von der Universität Graz das Institut für Erdwissenschaften und der Institutsbereich Pharmazeutische Technologie & Biopharmazie. Auch an externe Hochschulen und außeruniversitäre Einrichtungen werden Zeitkontingente vergeben. 25 Prozent der Forschungskapazitäten sind zudem für die angewandte Forschung aus der Industrie vorgesehen. „Mit den neuen Geräten wollen wir auch ganz neue Forschungsfelder erschließen: Einige Unternehmen haben bereits Proben bei uns getestet“, sagt Robert Schennach. Alle Projektpartner bezahlen für die jeweiligen Testungen eine bestimmte Gebühr, die laut dem Laborleiter mit fortschreitenden Jahren weiter angepasst werden wird.

Alle Teilnehmer des Konsortiums haben Zugang zum Tescan Collaboration Network, wo Labors und Forschende Informationen und Erkenntnisse austauschen können. „Wir sind mit den Fachleuten von Tescan in regem Austausch zu unseren Forschungsergebnissen und geben laufend Rückmeldung, wie die Geräte weiterentwickelt werden könnten“, so Schennach. Letztlich ist das Ziel, nicht nur spannende Forschungsfragen zu beantworten: „Wir wollen im Konsortium künftig jährlich auch rund 20 Forschungspublikationen aus unseren in-Situ-Experimenten heraus veröffentlichen“, sagt Robert Schennach.    //

Links:
Graz-µCT consortium