Über 1,6 Mio. Euro zur Entwicklung von neuen Methoden für die Materialforschung

Bund fördert drei Forschungsprojekte mit extrem starkem Röntgenlicht am länderübergreifenden Ruprecht-Haensel-Labor

Gebäude
© DESY / Marta Mayer

Im Center for X-Ray and Nano Science (CXNS) am DESY in Hamburg ist das Ruprecht-Haensel-Labor angesiedelt, eine gemeinsame Einrichtung mit der CAU.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert gleich drei Forschungsprojekte aus der Physik und dem Forschungsschwerpunkt KiNSIS (Kiel Nano Surface and Interface Science) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Über 1,6 Mio. Euro gehen dabei an die CAU für die Entwicklung neuer Methoden und Instrumente zur Erforschung von Materialien. Dazu nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler hochintensives Röntgenlicht, das am Forschungszentrum Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg erzeugt wird. Mit der sogenannten Synchrotronstrahlung lassen sich zum Beispiel ultraschnelle Prozesse auf der Nanoebene beobachten. Davon erhoffen sich die Forschenden auch neue Erkenntnisse für bessere Batterien und Brennstoffzellen, neuartige Quantenmaterialien oder die Freisetzung von medizinischen Wirkstoffen. Die Instrumente werden im Ruprecht-Haensel-Labor, einer gemeinsamen Einrichtung der CAU und dem DESY, angesiedelt und dort Forschenden aus aller Welt zur Verfügung stehen. Die Förderung ist auf drei Jahre bis 2025 angelegt.

Beschleuniger wie am DESY bringen winzige, elektrisch geladene Teilchen auf nahe der Lichtgeschwindigkeit und erzeugen so extrem helles Röntgenlicht. Forschende der Physik, Chemie, Materialwissenschaft oder den Lebenswissenschaften nutzen es zum Beispiel, um das Verhalten von Elektronen zu untersuchen, Nanomaterialien zu analysieren oder lebenswichtige biochemische Prozesse zu verfolgen.

„Mit modernsten Forschungsmethoden wie der Synchrotronstrahlung können wir Materialien auf einzigartige Weise untersuchen. Das schafft die Grundlage für ganz neues Wissen und innovative Anwendungen“, sagt Professor Kai Rossnagel. Er ist einer der Sprecher des CAU-Forschungsschwerpunkts KiNSIS „Kiel Nano, Surface and Interface Science“, in dem das Ruprecht-Haensel-Labor verortet ist. Um das Röntgenlicht auf konkrete Forschungsfragen anzuwenden, müssen die hochkomplexen Instrumente jedoch individuell entwickelt werden. Das ermöglichen den Forschenden nun die drei Bewilligungen des BMBF. „Diese Förderung verstärkt nicht nur die Kieler Nanoforschung und die erstklassige Forschungsinfrastruktur in Norddeutschland. Sie wird auch eine zentrale Schlüsseltechnologie für die Energieforschung, die digitalen Technologien und die Lebenswissenschaften vorantreiben.“

Die drei bewilligten Projekte im Überblick:

Methoden für die Energieforschung entwickeln

© Olaf Magnussen

Projekt „HES4ES: High-energy surface X-ray scattering for energy science", Förderkennzeichen 05K22FK1

Prof. Dr. Olaf Magnussen, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Die Weiterentwicklung von Batterien und der Wasserstofftechnologie ist eine zentrale Aufgabe auf dem Weg zu einer CO2-neutralen Gesellschaft. Olaf Magnussen, Professor für Festkörperphysik, CAU, untersucht deshalb gemeinsam mit Hans-Georg Steinrück, Professor für Technische Chemie, Universität Paderborn, elektrochemische Prozesse, die in Batterien, Brennstoffzellen und bei der Elektrolyse ablaufen. Ein umfassendes Verständnis davon, was an den Grenzflächen zwischen Elektroden und Flüssigkeiten auf atomarer Skala passiert, kann zum Beispiel Elektrodenmaterialien langlebiger machen. Bisher waren diese Grenzflächen jedoch mit den meisten Methoden nur schwer zugänglich.

Mit der BMBF-Förderung wollen die Wissenschaftler neue Verfahren mit hochintensiver Röntgenstrahlung entwickeln. „Wir verwenden besonders kurzwellige Strahlen, wie sie auch bei der Gepäckdurchleuchtung am Flughafen zum Einsatz kommen. Damit können wir tief ins Innere von Materialien eindringen und Prozessabläufe unter realistischen Bedingungen untersuchen“, erklärt Magnussen. Die Instrumente werden an der europäischen Forschungsanlage ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, Frankreich, und am DESY in Hamburg entwickelt.

Flüssige Grenzflächen besser verstehen

© Lukas Petersdorf

Projekt „LISA Dynamics“, Förderkennzeichen 05K22FK3

PD Dr. Bridget Murphy, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Was an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeiten und Gasen passiert, pielt in vielen Bereichen der Lebens- und Nanowissenschaften eine entscheidende Rolle – zum Beispiel bei der Freisetzung von Medikamenten, an Zellmembranen oder in der molekularen Elektronik. Um die Strukturen und die hier ablaufenden Prozesse verstehen und kontrollieren zu können, hat PD Dr. Bridget Murphy Röntgenstreuexperimente an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III am DESY entwickelt (Flüssigkeitsdiffraktometer LISA).

„Ultraschnelle Prozesse an flüssigen Grenzflächen zu untersuchen, ist eine Herausforderung, aber für viele Fragestellungen in der Biologie, Chemie und den Ernährungs- und Marinewissenschaften von zentraler Bedeutung“, so Murphy. Mit der neuen Förderung will sie das bestehende Instrument für Prozesse von Nano- bis zu Millisekunden und für die Strahlungsquelle der nächsten Generation, PETRA IV, weiterentwickeln. Per Laser sollen die Strukturen an flüssigen Grenzflächen dann zu Veränderungen auf der Nanometer-Skala angeregt werden. So sollen sich molekulare Veränderungen in Wasser oder Salzlösungen oder molekulare Prozesse von Lipiden und Proteinen an Flüssigkeitsoberflächen beobachten und besser verstehen lassen.

Neue Quantenmaterialien untersuchen

© AG Rossnagel

Projekt „Impulsmikroskop für FLASH“, Förderkennzeichen 05K22FK2

Prof. Dr. Kai Rossnagel, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik

Der Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY beschleunigt Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit und erzeugt so extrem intensive Röntgenlichtblitze von billiardstel Sekunden („Femtosekunden“). Damit lassen sich die Bewegungen von Atomen und Molekülen in Materialien oder chemische Reaktionen filmen. Mit der BMBF-Förderung will ein Konsortium der Universitäten Kiel, Regensburg und Mainz ein extrem leistungsfähiges Impulsmikroskop für eine Messstation am FLASH entwickeln, um zum Beispiel dynamische elektronische und strukturelle Eigenschaften neuartiger Quantenmaterialien zu untersuchen.

Ziel ist ein Mikroskop, das bei Temperaturen bis zu -263,15 Grad Celsius (10 Kelvin) arbeitet und mit modernsten Terahertz-Strahlungsquellen kombiniert werden kann. Spezielle Elektronenlinsen sollen elektrische Störfelder unterdrücken. In Kiel werden unter der Leitung von Kai Rossnagel, Professor für Festkörperforschung mit Synchrotronstrahlung an der CAU und leitender Wissenschaftler am DESY, Komponenten für die Tieftemperaturen entwickelt und getestet. „Damit schlagen wir ein ganz neues Kapitel in der Aufnahme vollständiger Filme von ultraschnellen elektronischen und strukturellen Dynamiken an komplexen Grenzflächen auf“, so Rossnagel.

Kontakt:

Prof. Dr. Olaf Magnussen
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Grenzflächenphysik
+49 431 880-5579
magnussen@physik.uni-kiel.de
www.ieap.uni-kiel.de/solid/ag-magnussen/

Kontakt:

Dr. habil. rer. nat. Bridget Murphy
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Grenzflächenphysik
+49 431 880-5558
murphy@physik.uni-kiel.de
www.ieap.uni-kiel.de/solid/ag-magnussen/pers/murphy/murphy_e.html

Kontakt:

Prof. Dr. Kai Rossnagel
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
Festkörperforschung mit Synchrotronstrahlung
rossnagel@physik.uni-kiel.de
+49 431 880-3876
www.ieap.uni-kiel.de/surface

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Im Nanokosmos herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

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Redakteurskontakt:

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)