Zwei Freigeist-Fellows am HZB verflechten ihre Forschung
Fabian Weber (rechts) untersucht nun im Team von Dr. Annika Bande (links) die Dynamik von Elektronen-Prozessen in Graphen-Oxid-Quantenpunkten. Solche Quantenpunkte könnten als Katalysatoren die solare Wasserspaltung effizienter machen. Mit den theoretischen Modellierungen von Weber lassen sich aus den experimentellen Daten der Gruppe um Dr. Tristan Petit sehr viel mehr Informationen gewinnen. © HZB
Eine erste Berechnung zeigt, wie sich die Elektronendichte über einem Graphen-Oxid-Nanopartikel in Lösung verändert: In den roten Bereichen ist die Elektronendichte unterdurchschnittlich, während sie in den blauen Regionen überdurchschnittlich groß ist. Das Graphen-Partikel ist aus Kohlenstoffatomen (schwarz) gebildet, an die stellenweise Sauerstoff (rot) oder Wasserstoff (weiß) andockt. © Fabian Weber
Am HZB-Institut für Methoden der Materialentwicklung forschen zwei Freigeist-Fellows, die von der VolkswagenStiftung gefördert werden: Die theoretische Chemikerin Dr. Annika Bande modelliert schnelle Elektronen-Prozesse und Dr. Tristan Petit untersucht Nanoteilchen aus Kohlenstoff. Nun konnte Annika Bande mit einem Modulantrag bei der VolkswagenStiftung zusätzlich 150.000 Euro für eine weitere dreijährige Doktorandenstelle einwerben. Die Doktorarbeit wird beide Freigeist-Vorhaben miteinander verknüpfen.
Der Doktorand Fabian Weber arbeitet in der Theoriegruppe von Annika Bande und soll in den nächsten drei Jahren den Elektronentransfer in einem Materialsystem berechnen, das Tristan Petit und sein Team experimentell untersuchen. „Wir konzentrieren uns auf eine besondere Klasse von so genannten Quantenpunkten aus Graphen-Oxid-Nanoteilchen“, sagt Weber. Die Gruppe um Petit wird Nano-Graphen-Oxide mit verschiedenen spektroskopischen Methoden analysieren.
Katalysatoren für die Solare Wasserstofferzeugung
Denn Nanopartikel aus Graphen-Oxiden gelten als gute Katalysatoren, auch um mit Sonnenenergie Wasser aufzuspalten und Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff ist ein vielseitiger Energieträger, der als Brennstoff nutzbar ist oder in einer Brennstoffzelle umweltfreundlich Strom erzeugen kann.
Tiefere Einsichten in das System
Mithilfe der theoretischen Modellierungen können die experimentellen Daten zu Nano-Graphen-Oxiden deutlich mehr Informationen liefern, bis hin zu neuen Einblicken in die ultraschnelle Dynamik bei den Wasserstoffbrückenbindungen. „Dabei gehen wir zunächst von bestehenden Theorien aus, und schauen uns an, wie wir damit modellieren können, was bei der Übertragung von Elektronen während einer katalytischen Reaktion genau geschieht“, erklärt Annika Bande. „Bei diesem Forschungsprojekt können wir unsere Ideen direkt mit den experimentellen Befunden abgleichen und das System besser verstehen lernen. Außerdem handelt es sich um ein Thema von großer Relevanz, nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die künftige Energieversorgung unserer Gesellschaft.“
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.