Die Welt ist zusammengesetzt aus kleinen Bausteinen, den Atomen - dies haben die meisten Menschen in der Schule gelernt. Doch ohne Bilder bleibt dieses Wissen abstrakt. Zwar gibt es seit mehr als 30 Jahren Aufnahmen einzelner Atome. Doch wie Materie in ihrem Inneren aus einzelnen Atomen zusammengesetzt ist, davon gab es bislang keine Bilder.

Nun gelang es Forschern der University of California erstmals, die Position Tausender Atome in einem Stück Wolfram zu bestimmen. Daraus erstellten sie eine dreidimensionale Aufnahme, die einen genauen Blick in das Metall ermöglicht, ohne es zu zerstören. Ihre Aufnahme veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift "Nature Materials". 

Untersucht wurde die Spitze eines Wolframdrahtes. Die Forscher bestimmten die Position von 3769 Atomen, die in neun Schichten übereinanderlagen. Die Aufnahme ist so präzise, dass die Forscher im Inneren sogar einen Hohlraum entdeckten: Hier fehlt ein Atom in der regelmäßigen Struktur des Metalls.

Errechnet aus 62 Einzelaufnahmen

Die Forscher untersuchten auch, wie weit die Atome von der erwarteten Struktur abweichen. Daraufhin konnten sie auf der Spitze des Drahtes eine Verschmutzung ausmachen, die sich als Wolframcarbid entpuppte. Dieses hinderte die Atome daran, ihre Position einzunehmen.

Für ihr Experiment nutzten die Forscher einen Aufbau, der Computertomografen (CT) ähnelt, die dreidimensionale Aufnahmen des menschlichen Körper erstellen. Das CT durchleuchtet den Körper aus verschiedenen Positionen mit Röntgenstrahlen. Die Strahlung wird auf der Gegenseite aufgefangen und ausgewertet.

Das CT kann jedoch nur millimetergroße Strukturen erkennen. Für ihr Experiment brauchten die Forscher aber ein Mikroskop, das eine Million Mal kleinere Strukturen sichtbar macht. Sie nutzten deshalb ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (RTEM), das statt Röntgenstrahlung einen Elektronenstrahl nutzt. Mit diesem durchleuchteten sie die Spitze des Wolframdrahts aus 62 verschiedenen Blickrichtungen. Videos der 3D-Aufnahme sind in der Veröffentlichung im Anhang ("Supplements")  zu finden. Laut den Forschern könne man mit dem Aufbau auch andere kleine Strukturen, etwa Nanopartikel, untersuchen.

Schon seit vielen Jahrzehnten durchleuchten Forscher Materie, um ihr das Geheimnis ihrer Struktur zu entreißen. Doch diese Aufnahmen zeigten bislang keine einzelnen Atome, sondern lediglich abstrakte Gebilde, aus denen man nur mit viel Erfahrung die durchschnittlichen Abstände zwischen Atomen ablesen kann. Mit den neuen Aufnahmen können auch Laien zum ersten Mal sehen, was sie vor vielen Jahren in der Schule gelernt haben.