Forschung mit Photonen

Die Forschung mit Photonen erlaubt Einblicke in grundlegende Materialeigenschaften und zeigt, wie man sie steuern kann

Um Materialien für heutige und zukünftige Anwendungen optimieren und ihnen zielgerichtet bestimmte Funktionen geben zu können, brauchen wir grundlegende Kenntnisse: wie genau beeinflusst zum Beispiel ein physikalischer Effekt in einer Atomstruktur das Verhalten des Materials. Wie müssen sich Elektronen im Atom umlagern, damit das Material ein gewünschtes Verhalten zeigt. Mit BESSY II, unserer Synchrotronstrahlungsquelle, steht uns hierfür ein einzigartiges Messgerät zur Verfügung. Dabei tasten wir uns stetig an die Grenzen des Messens und die Grenzen der Materialprozesse heran. Am HZB interessieren uns folgende Fragen:

  • Wie kommt die Funktionalität eines Materials zustande und kann man diese steuern?
  • Wie werden chemischen Reaktionen auf atomarer Ebene gelenkt?
  • Was macht Phasenübergänge und Schaltprozesse in Bauelementen effizient?
  • Wie lassen sich die limitiernden Schritte beim Umwandeln von Licht in Energie identifizieren?
  • Wie lassen sich biochemische Prozesse verbessern und für industrielle Anwendungen optimieren?

Bei der Beantwortung solcher und ähnlicher Fragen spielen die Anordnung der Atome und vor allem die elektronische Struktur in Molekülen und Materialien eine entscheidende Rolle, denn die Elektronen sind es, die für nahezu jegliche Eigenschaften von Materie verantwortlich sind.

Für unsere Forschung nutzen wir vornehmlich weiche Röntgenstrahlung wie sie in der benötigten Qualität und Intensität nur an Synchrotronstrahlungsquellen wie BESSY II erzeugt werden kann. Aufbauend auf der Wechselwirkung von Materie mit Röntgenstrahlung entwickeln wir dazu Experimente, Instrumente und neue methodische Ansätze.

Ein Röntgenpuls untersucht die Delokalisierung von Eisen 3d-Elektronen auf anliegende Liganden. Copyright: M. Künsting/HZB

Zum Beispiel Übergangsmetall-Komplexe:

Sie bestehen aus einem oder mehreren Metallatomen, daran gebunden sind verschiedenartigste Moleküle. Solche Komplexe beschleunigen als Katalysatoren bestimmte chemische Reaktionen, manche können sogar Sonnenlicht in Strom umwandeln. In vielen dieser Komplexe handelt es sich bei dem zentralen Metallatom um seltene und damit teure Metalle, wie zum Beispiel Ruthenium in Farbstoffsolarzellen. Gerne würde man diese durch preiswertere Metalle wie Eisen ersetzen.

Wir untersuchen die Eigenschaften und die elementaren Funktionen dieser Komplexe im Detail. Wir messen mit inelastischer Röntgenstreuung an BESSY II, wieviel Lichtenergie von einzelnen Molekülen absorbiert wird und welche Rolle dabei die Nachbar-Moleküle im Komplex spielen. Durch Bestrahlen mit kurzen Röntgenpulsen können wir Schritt für Schritt verfolgen, wie etwa ein Eisenkomplex reagiert, wenn man ihm Licht zufügt und er energetisch angeregt wird. Diese und weitere Untersuchungen werden zeigen, worauf es bei Übergangsmetall-Komplexen ankommt, damit Licht effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Das Enzym MHETase ist ein riesiges komplex gefaltetes Molekül. MHET-Moleküle aus PET-Kunststoff docken an einer aktiven Stelle im Inneren der MHETase an und werden dort aufgespalten. Copyright: M. Künsting/HZB

Zum Beispiel Enzyme:

Es sind Proteine, die in lebenden Organismen eine tragende Rolle spielen. Sie kopieren das Erbgut, sorgen für den Stoffwechsel, synthetisieren alle wichtigen Lebensbausteine und vieles andere mehr. Manche Erkrankungen lassen sich therapieren, indem bestimmte Enzyme durch kleine Wirkstoffmoleküle im Organismus gezielt stimuliert oder blockiert werden. Auf der anderen Seite können Bakterien eine Vielzahl von Stoffen verarbeiten und daraus ihre Energie gewinnen – zum Beispiel aus Kunststoffen wie PET – und werden auf diese Weise auch für industrielle Anwendungen interessant.

Unsere Forschung zielt darauf ab, die Funktionen der großen Proteinmoleküle auf atomarer Ebene zu verstehen. Mithilfe kleiner Moleküle kann man sie dann steuern, oder man verändert gezielt einen Baustein, damit das Molekül eine bestimmte Aufgabe erledigen kann, zum Beispiel Kunststoffe abbauen. Dazu nutzen wir die Verfahren der Röntgenkristallographie und der Röntgenmikroskopie mit Synchrotronstrahlung.

Ein kurzer Laserpuls trifft auf die Dysprosium-Probe und verändert deren magnetische Ordnung. Copyright: HZB

Beispiel Schaltprozesse:

Sie sind der Herzschlag unserer digitalen Welt. In allen elektronischen Geräten, ob Computer oder Smartphone, in der Anlagensteuerung oder beim Autopiloten, finden ständig und überall Schaltprozesse statt. Verbesserungen beim physikalischen und chemischen Ablauf führen unmittelbar zu leistungsfähigeren und effizienteren Geräten. Forscherinnen und Forscher versuchen deshalb weltweit die Schalter bis an die Grenze des machbaren zu verkleinern und dabei mit möglichst wenig Energie für den Schaltprozess auszukommen.

Am HZB befassen wir uns mit den Grundlagen von Schaltvorgängen. Wir untersuchen Prozesse, die innerhalb einer billionstel Sekunde sattfinden. Wir suchen nach Materialien, die mit geringem Aufwand zu schalten sind und studieren Anordnungen von wenigen Atomen. Atomcluster oder molekulare Magnete sind dabei die kleinsten schaltbaren Einheiten. Bei unseren Forschungen profitieren wir von den besonderen Eigenschaften der Synchrotronstrahlung von BESSY II, denn hier kann man u.a. die Polarisation und die Wellenlänge der Strahlung äußerst exakt einstellen und variieren.