Es gibt so etwas wie stilbildende Techniken. Heute sind es die alles durchdringenden Fernseh- und Computertechniken; sie legen dem Ingenieur nahe, rasternde Verfahren zu wählen. Wenn Informationsquellen räumlich verteilt sind, ob Risse in Rohren, Gaskonzentrationen in der Atmosphäre oder Flugzeuge im Luftraum, dann kommen Rastermethoden in Frage: Der Raum wird in Gitterpunkte zerlegt, die Signale werden abgetastet, digitalisiert, vom Computer bearbeitet, und zum Schluß entsteht ein Bild. Auf die Mikroskopie hat sich das erst recht ausgewirkt. In der Rastersondenmikroskopie zum Beispiel tastet eine feine Spitze, die Sonde, das Objekt in geringem Abstand systematisch ab. Die Sonde sammelt elektrische, chemische, mechanische oder lichtoptische Signale ein, aus denen der Computer das Bild zusammensetzt.

Die Rastersondenmikroskopie gehört zu den wenigen Erfindungen der neueren Zeit, die in hohem Maße eine Einzelleistung sind: Die Forschung verdankt sie in erster Linie Gerd Binnig, dem jungen Physiker und Nobelpreisträger. Viel ist über diesen Mann und seine Geräte geschrieben worden. Darüber geriet freilich aus dem Blick, daß die Mikroskopie schon seit längerer Zeit rastert: Am Anfang stand das Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope, SEM). Heute ist das SEM ein Arbeitspferd der Mikroskopie und dem normalen Elektronenmikroskop bei einer Reihe von Objekten überlegen. Das SEM schießt einen wandernden Elektronenstrahl auf das Objekt und nicht, wie sein konventioneller Bruder, ein Strahlenbündel, das das ganze Objekt erfaßt. Der SEM Strahl schlägt Elektronen (oder andere Teilchen) heraus, und aus diesen Ereignissen wird ein Bild rekonstruiert. Der vielseitige Naturwissenschaftler Manfred von Ardenne, der damals mit dem Pionier des Elektronenmikroskops und späteren Nobelpreisträger Ernst Ruska zusammenarbeitete, erfand und baute bereits 1937 ein Rasterelektronenmikroskop. Ein Jahr später begann die Forschungsabteilung der Radio Company of America (RCA), sich dem gleichen Prinzip zu widmen. Da die RCA zu jener Zeit Videotechniken untersuchte, lag das Rastern sozusagen in der Luft. Die Zentralfigur der RCA Labors war der in Rußland geborene Elektroingenieur Wladimir K. Zworykin, der Vater des Fernsehens. Mit Eifer verfolgte er die Entwicklung der Elektronenmikroskopie in Deutschland, und es ist anzunehmen, daß er Ardennes Veröffentlichungen kannte.

Sie gerieten bald in Vergessenheit. Die plumpe Elektromechanik der damaligen Zeit ließ es nicht zu, daß Rastermikroskope den anderen, sich stürmisch entwickelnden Elektronenmikroskopen Konkurrenz machten. RCA gab das SEM bald wieder auf. 1944 zerstörte ein Bombenangriff Ardennes Berliner Einrichtungen. Der Faden riß und wurde erst zwei Jahrzehnte später neu geknüpft. Ähnlich erging es dem lichtoptischen Pendant, dem "konfokalen Rastermikroskop" - es wurde erfunden, vergessen, wiederentdeckt und gehört heute zu den leistungsfähigsten Techniken. Die Erfindung wird einem der originellsten und umstrittensten Gelehrten unserer Tage zugeschrieben, nämlich dem Informatiker Marvin Minsky vom Massachusetts Institute of Technology (Boston, USA), dem notorischen Künder der Künstlichen Intelligenz. Als amerikanische und britische Forscher Anfang der siebziger Jahre darangingen, Objekte mit wandernden Lichtpunkten abzutasten, stießen sie zu ihrer Verblüffung auf Minskys Patent von 1961. Er hat nie viel Aufhebens davon gemacht, lächelt aber verschmitzt, wenn ihn jemand darauf anspricht.

Konfokale Mikroskope beleuchten ihre Objekte nicht nur Zeile für Zeile, sondern auch nacheinander in verschiedenen Tiefenebenen (Lichtmikroskope ziehen Informationen nicht, wie Elektronenmikroskope, aus allen Objektebenen zugleich, sondern weitgehend nur aus der Brennebene des Objektivs). Aufgefangen wird das Lichtsignal durch eine feine Lochblende, die störende Seiteneffekte abhält (siehe Zeichnung). Auf diese Weise lassen sich mehrere optische Schnitte durch das Objekt erzielen, die ein Computer wiederum zu einem 3 D Bild zusammenfügt. Der Forscher kann es am Computerbildschirm umherdrehen und quer, längs, schräg aufgeschnitten betrachten - so wie der Esser je nach Gusto den Braten tranchiert. Ein besonders leistungsfähiges System dieser Art ist bei Zeiss in Oberkochen zu besichtigen; wie alle neueren konfokalen Mikroskope arbeitet es mit einem Laser.

Radikalisiert wurde die Idee des Rasterns durch Gerd Binnig. Anfang der achtziger Jahre setzte er im IBM Forschungslabor im schweizerischen Rüschlikon das Prinzip der lokalen Bildinformation auf allerwinzigstem Raum um. Sein Rastertunnelmikroskop (RTM) bewegt eine feine Metallnadel wenige Nanometer (millionstel Millimeter) über einer elektrisch leitenden Substanz hin und her. Sie fängt in Abhängigkeit vom Abstand Elektronen ein, die den Zwischenraum "durchtunneln", wenn an die Substanz ein elektrisches Potential angelegt wurde. Das Signal ändert also seine Stärke mit der Entfernung zwischen Nadel und Oberfläche. Per Computervideo wird es zu einem Bild der Oberflächentopographie zusammengesetzt, das sogar Atome zeigen kann. Verrückterweise gelingt das Kunststück auch ohne Strom. Denn wenn eine Spitze, nur aus wenigen Atomen oder gar aus einem einzigen bestehend, dicht genug an das Objekt herangeführt wird oder es berührt, dann treten, wiederum abhängig vom Abstand, mehrere Kräfte zwischen den Atomen der Spitze und des Objekts auf, anziehende und abstoßende. Sie lassen sich registrieren und mittlerweile auch recht gut voneinander unterscheiden. So entstand, wieder unter Binnigs Ägide, die sogenannte Kraftmikroskopie (AFM, ler Welt betreiben sie mittlerweile, Halbleitergiganten wollen sie zur Chipinspektion einsetzen. Führend auf diesem Gebiet sind Japan und die USA; die Zeiss Forscher am Firmenstandort Jena wollen sich an dieser Konkurrenz beteiligen. Die Kraftmikroskopie hat die Tunnelmikroskopie überholt. Nicht zuletzt deshalb, weil sie auch nichtleitende Objekte abbildet, etwa biologische. Am besten wäre es, sie in ihrer natürlichen Umgebung zu zeigen, also im Wasser - siehe da, auch das ist möglich. Seit kurzem machen es Heien und Paul Hansma von der University of California in Santa Barbara der Forschergemeinde vor. Sie demonstrieren zugleich, daß sich die mikroskopische AFM Nadel, meist eine zugespitzte Glasfaser, im Wasser störungsfreier als in der Luft führen läßt. Die Auflösung von RTM- und AFM Bildern übertrifft bei vielen Objekten die der Elektronenmikroskope. Seltsam nur, daß wissenschaftliche Journale zögerlich geworden sind, wenn ihnen die Bilder vorgelegt werden. Was ist passiert? Die gleichen Zeitschriften, namentlich Science und Nature, überboten sich noch vor wenigen Jahren mit immer neuen Bildern. Nature, das britische Blatt, stellte auf seinem Titelbild am 19. Juli 1990 ein farbenfrohes Etwas vor, angeblich ein DNAMolekül (siehe Photo). Gerd Binnig erinnert sich: "Wir hatten hier auch schon solche Aufnahmen und dann die Sektkorken knallen lassen. Aber uns kamen Zweifel, und wir veröffentlichten sie nicht " Zum Glück, denn bald erwies sich, daß die DNAähnlichen Spiralgebilde nichts Biologisches waren. Meist handelte es sich um die Nahtstelle zwischen zwei unterschiedlich geordneten Oberflächen des Objektträgers aus speziellem Graphit.

Verdächtig war auch, daß AFM Aufnahmen kristalliner Oberflächen häufig Muster zeigten, die anderen Beobachtungen sowie aller Theorie widersprachen. Es stellte sich heraus, daß die seltsamen Regelmäßigkeiten zustande gekommen waren, weil die brächligen Nädelchen in zwei oder mehr Spitzen geborsten waren: Sie fingen fortan mehrere Signale zugleich auf, die einander interferenzähnlich überlagerten ("Moire Effekt"). Der Rastersondenmikroskopie drohte ein ähnliches Schicksal wie der Elektronenmikroskopie Anfang der vierziger Jahre: Besonders in den Vereinigten Staaten wurden alle möglichen Bilder irrtümlich als Aufnahmen von Biomolekülen gefeiert, was den Ruf der Technik arg zerschliß. Seit einem guten Jahr indessen kursieren Aufnahmen zuverlässig abgetasteter DNA. Zwar hat die Rastersondenmikroskopie bis dato noch keinem Biologen zu neuen Erkenntnissen verholten, doch der Optimismus ist zurückgekehrt. Speziell vom Kraftmikroskop erwarten die Bioforscher in nicht allzu langer Zeit zeitaufgelöste Aufnahmen, also den Videofilm namens "Die DNA an der Arbeit". Und einen schönen Beweis für AFM Bilder mit atomarer Auflösung, denen kein "Mehrnadel Effekt" mehr zugrunde lag, lieferte Binnig in Science nach.

Damit scheint die Reputation der Sondenmikroskopie wiederhergestellt. Unterdessen sorgt dieser lebendige Forschungszweig mit einem anderen Gerät für neuerliche Aufregung: dem optischen Nahfeldmikroskop, das gerade dem Säuglingsalter entwächst. In dieser Anlage sind die Abstände zwischen der rasternden Lichtquelle (wieder einer Glasfaser), dem Objekt und dem Detektor bedeutend kleiner als die Wellenlänge des Lichts, die etwa 500 Nanometer beträgt. Das in diesem engen Raum wandernde Licht kann mit herkömmlicher Wellentheorie nicht mehr zureichend beschrieben werden. Es hat, bildlich gesprochen, nicht genug Platz, sich auszubreiten, um so grob und plump zu werden wie im Normalfall, in dem die Auflösungsgrenze zwischen ein- bis zweihundert Nanometern liegt. Infolgedessen konnten einige dieser scanning nearvoneinander unterscheiden, die fünfzig, dreißig, kürzlich gar nur zwölf Nanometer voneinander entfernt lagen. Die Geräte sehen aus wie der Versuchsaufbau eines Hobbybastlers, geschützt von einem Kasten aus Plexiglas.