HZB Newsroom

Das Verbrennen von Biomasse beim Kochen belastet Gesundheit und Umwelt. Die deutsch-südafrikanische Initiative GreenQUEST entwickelt einen sauberen Haushaltsbrennstoff. Er soll klimaschädliche CO₂-Emissionen reduzieren und den Zugang zu Energie für Haushalte in afrikanischen Ländern südlich der Sahara verbessern.

Gefriergussverfahren sind ein kostengünstiger Weg, um hochporöse Materialien mit hierarchischer Architektur, gerichteter Porosität und multifunktionalen inneren Oberflächen herzustellen. Gefriergegossene Materialien eignen sich für viele Anwendungen, von der Medizin bis zur Umwelt- und Energietechnik. Ein Beitrag im Fachjournal „Nature Reviews Methods Primer“ vermittelt nun eine Anleitung zu Gefriergussverfahren, zeigt einen Überblick, was gefriergegossene Werkstoffe heute leisten, und skizziert neue Einsatzbereiche. Ein besonderer Fokus liegt auf der Analyse dieser Materialien mit Tomoskopie.

Ein Team am HZB hat an BESSY II eine neue, einfache Methode untersucht, mit der sich stabile radiale magnetische Wirbel in magnetischen Dünnschichten erzeugen lassen.

Ein verbessertes Ladeprotokoll könnte die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien deutlich verlängern. Das Laden mit hochfrequentem gepulstem Strom verringert Alterungseffekte. Dies zeigte ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm (HZB und Humboldt-Universität) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin und der Aalborg University in Dänemark. Besonders aufschlussreich waren Experimente an der Röntgenquelle BESSY II.

In quantenmagnetischen Materialien unter Magnetfeldern können neue Ordnungszustände entstehen. Nun hat ein internationales Team aus Experimenten an der Berliner Neutronenquelle BER II und am dort aufgebauten Hochfeldmagneten neue Einblicke in diese besonderen Materiezustände gewonnen. Der BER II wurde bis Ende 2019 intensiv für die Forschung genutzt und ist seitdem abgeschaltet. Noch immer werden neue Ergebnisse aus Messdaten am BER II publiziert.

Das Problem des Handlungsreisenden gilt als Paradebeispiel für kombinatorische Optimierungsprobleme. Nun zeigt ein Berliner Team um den theoretischen Physiker Prof. Dr. Jens Eisert der Freien Universität Berlin, dass eine bestimmte Klasse solcher Probleme tatsächlich durch Quantencomputer besser und sehr viel schneller gelöst werden kann als mit konventionellen Methoden.

Hafniumoxid-Dünnschichten sind eine faszinierende Klasse von Materialien mit robusten ferroelektrischen Eigenschaften im Nanometerbereich. Während das ferroelektrische Verhalten ausgiebig untersucht wurde, blieben die Ergebnisse zu den piezoelektrischen Effekten bisher rätselhaft. Eine neue Studie zeigt nun, dass die Piezoelektrizität in ferroelektrischen Hf_0,5Zr_0,5O₂-Dünnschichten durch zyklische elektrische Felder dynamisch verändert werden kann. Ein weiteres bahnbrechendes Ergebnis ist die Möglichkeit einer intrinsischen nicht-piezoelektrischen ferroelektrischen Verbindung. Diese unkonventionellen Eigenschaften von Hafnia bieten neue Optionen für den Einsatz in der Mikroelektronik und Informationstechnologie.

Natrium-Ionen-Akkus haben noch eine Reihe von Schwachstellen, die durch die Optimierung von Batteriematerialien behoben werden könnten. Eine Option ist die Dotierung des Kathodenmaterials mit Fremdelementen. Ein Team von HZB und Humboldt-Universität zu Berlin hat nun die Auswirkung von einer Dotierung mit Scandium und Magnesium untersucht. Um ein vollständiges Bild zu erhalten, hatten die Forscher*innen Messdaten an den Röntgenquellen BESSY II, PETRA III und SOLARIS gesammelt und ausgewertet. Sie entdeckten dadurch zwei konkurrierende Mechanismen, die über die Stabilität der Kathoden entscheiden.

Hochentropie-Legierungen halten extremer Hitze und Belastung stand und eignen sich daher für eine Vielzahl spezifischer Anwendungen. Einblicke in Ordnungsprozesse und Diffusionsphänomene in diesen Materialien hat nun eine neue Studie an der Röntgenquelle BESSY II geliefert. An der Studie waren Teams des HZB, der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, der Universität Lettland und der Universität Münster beteiligt.

Yan Lu wurde gemeinsam mit dem HZB zur Professorin für Hybridmaterialien für elektrochemische Energiespeicher und Wandler an der Friedrich-Schiller-Universität Jena berufen. Herzlichen Glückwunsch!

Materialien auf der Nanoskala bearbeiten, Prototypen für die Mikroelektronik fertigen oder biologische Proben analysieren: Die Bandbreite für den Einsatz von fein fokussierten Ionenstrahlen ist riesig. Einen Überblick über die vielfältigen Möglichkeiten und eine Roadmap für die Zukunft haben Expert*innen aus der EU-Kooperation FIT4NANO nun gemeinsam erarbeitet. Der Beitrag ist in Applied Physics Review publiziert und richtet sich an Studierende, Anwender*innen aus Industrie und Wissenschaft sowie die Forschungspolitik.

Für die Herstellung von Grünem Wasserstoff sind Katalysatoren nötig, die den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Doch unter Spannung verändert sich die Struktur des Katalysators, was auch die katalytische Aktivität beeinflusst. Ein Forschungsteam aus den Universitäten in Duisburg-Essen und Twente hat u.a. an BESSY II untersucht, wie die Umwandlung von Oberflächen in Perowskit-Oxid-Katalysatoren die Aktivität der Sauerstoffentwicklungsreaktion steuert.

Anoden für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser bestehen meist aus Iridium-basierten Materialien. Um die Stabilität des Iridium-Katalysators zu erhöhen, hat nun ein Team am HZB mit einer Gruppe des HI-ERN eine Probe hergestellt, in der die Konzentration von Iridium und Titanoxiden systematisch variiert. Analysen der einzelnen Probensegmente an BESSY II im EMIL-Labor zeigten, dass sich die Stabilität des Iridium-Katalysators signifikant steigern lässt.

Die Highlights 2022 berichten über eine Auswahl der wichtigsten Forschungserfolge und Ereignisse am HZB.

Am neuen SFB 1636 „Elementarprozesse lichtgetriebener Reaktionen an nanoskaligen Metallen“ beteiligen sich mehrere Arbeitsgruppen aus dem HZB.

Viele Enzyme versprechen, Kunststoff abzubauen. Doch was im Laborexperiment funktioniert, versagt dann oft doch im großen Maßstab. Nun hat der Biochemiker Gert Weber, HZB, gemeinsam mit Uwe Bornscheuer, Uni Greifswald, und dem Chief Scientific Officer Alain Marty von Carbios eine Studie publiziert. Sie zeigt am Beispiel von vier Enzymen, welche Standards Laborexperimente erfüllen sollten, damit Ergebnisse besser vergleichbar sind und erfolgsversprechende Ansätze rascher identifiziert werden können. 

Ein Team von Forschenden der Universität Potsdam und des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hat ein Messverfahren entwickelt, um Bodenproben mit Neutronen und Röntgenlicht zu analysieren und daraus 3D-Tomographien zu erstellen: Dies ermöglicht es erstmals, Mikroplastik im Boden genau zu lokalisieren. Die 3D-Tomographien zeigen, wo sich die Partikel im Boden einlagern und wie sich dadurch Strukturen im Boden verändern – was sich wiederum auf Wasserflüsse und Bodeneigenschaften auswirken kann. 

Die erste hochrangige Veranstaltung im Rahmen des Projekts Green Deal Ukraina (GDU) fand im Oktober in Kiew, Ukraine mit mehr als 150 Teilnehmenden statt. Diese erste Zusammenkunft und der offizielle Start kommen zu einem wichtigen Zeitpunkt: Die EU wird einen neuen Bericht über die Fortschritte der Länder auf dem Weg in die EU vorlegen, und die Ukraine wird darauf mit einer eigenen Analyse, dem so genannten "Pre-Screening", reagieren.

Dass es funktioniert, ist klar: Schon heute gibt es verschiedene Ansätze, um Solarenergie für die Elektrolyse von Wasser zu nutzen und Wasserstoff zu produzieren. Leider ist dieser grüne Wasserstoff bislang teurer als grauer Wasserstoff aus Erdgas. Doch grüner Wasserstoff hergestellt durch Sonnenlicht kann profitabel werden, zeigt eine Studie aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Technischen Universität Berlin.

Mit Gefriergussverfahren lassen sich hochporöse und hierarchisch strukturierte Materialien herstellen, die eine große Oberfläche aufweisen. Sie eignen sich für unterschiedlichste Anwendungen, als Elektroden für Batterien, Katalysatormaterialien oder in der Biomedizin. Nun hat ein Team um Prof. Ulrike G. K. Wegst, Northeastern University, Boston, MA, USA, und Dr. Francisco García Moreno vom Helmholtz-Zentrum Berlin an der Swiss Light Source des Paul-Scherrer-Instituts mit dem neu entwickelten Verfahren der Röntgentomoskopie erstmals in Echtzeit und hoher Auflösung beobachtet, wie der Prozess der Strukturbildung beim Gefriergussverfahren abläuft. Als Modellsystem diente eine Zuckerlösung.

Quantencomputer werden mit zunehmender Größe und Komplexität undurchschaubar. Mit Methoden der mathematischen Physik ist es nun einem Team gelungen, aus zufälligen Datensequenzen konkrete Zahlen abzuleiten, die als Maßstab für die Leistungsfähigkeit eines Quantencomputersystems dienen können. An der Arbeit mit Quantencomputer, die nun in Nature communications veröffentlicht ist, waren Experten des Helmholtz-Zentrum Berlin, der Freien Universität Berlin, des Qusoft Forschungszentrum Amsterdam, der Universität Kopenhagen sowie des Technology Innovation Institute Abu Dhabi beteiligt.

Die Röntgenmikroskopie (Kryo-SXT) ermöglicht hochaufgelöste Einblicke in das Innere von Zellen und Zellorganellen – und das in drei Dimensionen. Bisher wurden die 3D-Datensätze zeitaufwändig manuell analysiert. Nun hat ein Team der Freien Universität Berlin einen Algorithmus entwickelt, der auf einem „gefalteten“ neuronalen Netz basiert. Mit Expertinnen und Experten aus der Zellbiologie (FU Berlin) und der Röntgenmikroskopie am Helmholtz Zentrum Berlin wurde dieser Algorithmus nun erstmals zur Analyse von Zellbestandteilen in Kryo-SXT-Datensätzen eingesetzt. Mit der KI-basierten Analysemethode konnte innerhalb weniger Minuten Zellorganellen identifiziert und detailstarke, komplexe 3D-Abbildungen produziert werden.

Die Friedrich-Schiller-Universität Jena und das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) gründen am 1. Juli 2023 gemeinsam das „Helmholtz-Institut für Polymere in Energieanwendungen" (HIPOLE). Ziel von HIPOLE ist die Entwicklung von nachhaltigen Polymermaterialien für Energietechnologien, die rasch in die Anwendung gebracht werden können, insbesondere von Polymer-basierten Batterien und Perowskit-Solarzellen mit polymeren Additiven. HIPOLE wird mit bis zu 5,5 Millionen Euro pro Jahr vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF, 90%) und dem Freistaat Thüringen (10%) gefördert. In der Aufbauphase bis 2028 fördert der Freistaat Thüringen zusätzlich das neue Institut mit über zehn Millionen Euro und übernimmt die Finanzierung der Baukosten der Labore und Büros. 

Ein Team am HZB hat die elektronische Struktur von Au₂Pb an BESSY II durch winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie über einen weiten Temperaturbereich untersucht: Die Ergebnisse zeigen die elektronische Struktur eines dreidimensionalen topologischen Dirac-Semimetalls und stehen im Einklang mit theoretischen Berechnungen.

Ziel des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts, Green Deal Ukraina, ist es, in der Hauptstadt Kyiv gemeinsam mit Partnereinrichtungen in der Ukraine und in Polen einen Energie- und Klima-Think Tank aufzubauen. Dieser soll unabhängig und faktenbasiert beim Wiederaufbau eines nachhaltigen Energiesystems in der Ukraine beraten. Nicht zuletzt ist die Umsetzung der Energie- und Klimagesetzgebung Voraussetzung für den EU-Beitritt der Ukraine. Das Projekt startete am 1. Juni 2023 und erstreckt sich über vier Jahre.

Magnetische Domänenwände sorgen für elektrischen Widerstand, da es für Elektronenspins schwierig ist, ihrer magnetischen Struktur zu folgen. Dieses Phänomen könnte in spintronischen Bauelementen genutzt werden, bei denen der elektrische Widerstand je nach Vorhandensein oder Fehlen einer Domänenwand variieren kann. Eine besonders interessante Materialklasse sind Halbmetalle wie La_2/3Sr_1/3MnO₃ (LSMO). Sie weisen vollständige Spinpolarisation auf. Allerdings war der Widerstand einer einzelnen Domänenwand in Halbmetallen bisher noch nicht bestimmt worden. Nun hat ein Team aus Spanien, Frankreich und Deutschland eine einzelne Domänenwand auf einem LSMO-Nanodraht erzeugt und Widerstandsänderungen gemessen, die 20mal größer sind als bei normalen Ferromagneten wie Kobalt.

Ein neues Quasiteilchen mit interessanten Eigenschaften ist aufgetaucht – vorerst allerdings nur in theoretischen Modellierungen von Festkörpern mit bestimmten magnetischen Eigenschaften. Anders als erwartet, bringen Quantenfluktuationen das Quasiteilchen jedoch nicht deutlicher zum Vorschein, sondern verschmieren seine Signatur, zeigt nun ein internationales Team am HZB und der Freien Universität Berlin.

Du bist Schülerin der 10. bis 13. Klasse und interessierst Dich für Mathematik und Naturwissenschaften? Dann sichere Dir Dein kostenfreies VIP-Ticket für eine Tour mit spannenden Experimenten und Einblicken während der Langen Nacht der Wissenschaften! Lerne Wissenschaftlerinnen kennen, die mit Leidenschaft daran forschen, unsere Welt besser zu machen! 17.06. , ab 17.30 Uhr, Forschungscampus Adlershof

Im April hat Dr. Jie Wei seine Forschungsarbeit in der Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Nanoskalige Operando CO₂ Photo-Elektrokatalyse" am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und Fritz-Haber-Institut (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft aufgenommen. Wei erhielt eines der hochkompetitiven Humboldt-Postdoktorandenstipendien und wird sein zweijähriges Projekt unter der Leitung der wissenschaftlichen Gastgeber Dr. Christopher Kley und Prof. Dr. Beatriz Roldan Cuenya durchführen.