Im Reich der Strahlen

In einem neuen Forschungslabor des Helmholtz-Zentrums Berlin und der Freien Universität Berlin sollen neue Erkenntnisse über Struktur und Dynamik von Flüssigkeiten und Materialien in Lösung gesammelt werden.

27.08.2012

Mithilfe spezieller Laser und Röntgenstrahlen untersuchen Wissenschaftler der Freien Universität und des Helmholtz-Zentrums Berlin Eigenschaften von Flüssigkeiten und Materialien in Lösung.
Mithilfe spezieller Laser und Röntgenstrahlen untersuchen Wissenschaftler der Freien Universität und des Helmholtz-Zentrums Berlin Eigenschaften von Flüssigkeiten und Materialien in Lösung. Bildquelle: Bernd Wannenmacher

Aus der Ferne sieht es aus, als sei mitten im wachsenden Technologiepark Adlershof ein Ufo gelandet: Zwischen weiten Feldern und Rasenflächen liegt er fast rund und silbern da, der Bau des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB). Hinter der Fassade ziehen – für das menschliche Auge unsichtbar – Millionen von Elektronen ihre Bahnen. Wandern Besucher auf den oberen Emporen des Komplexes, blicken sie in das Herz der Anlage: Dort surren Apparaturen, lärmen Vakuumpumpen, Stickstoff zischt aus einem Überdruckventil.

BESSY II heißt dieser Elektronenspeicherring, in dem die Elementarteilchen unserer Materie auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und im Kreis geführt werden.

Dabei wird Licht erzeugt, das einen großen Wellenlängenbereich umfasst, sogenannte SynchrotronStrahlung. Dazu gehört besonders intensive Röntgenstrahlung, aber auch sichtbares Licht sowie Terahertz-Strahlung. Das Licht ist zum Teil millionenmal heller als die Sonne.

Seit kurzem nun gibt es in der Anlage ein neues Labor, das den Wissenschaftlern innovative Möglichkeiten der Materialforschung bietet. In enger Zusammenarbeit wollen Forscher des Helmholtz-Zentrums und des Fachbereichs Physik der Freien Universität nicht nur neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten oder sogenannte Grenzflächen – zum Beispiel zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten – gewinnen. Sie arbeiten auch daran, die innere Struktur von Wasser und Proteinen zu untersuchen sowie Dynamiken in diesen Materialien zu beobachten, zum Beispiel Energie- oder Ladungstransferprozesse von einem Molekül zu einem benachbarten Molekül.

Dafür experimentieren die Mitglieder der 18-köpfigen Nachwuchsforschergruppe „Struktur und Dynamik funktionaler Materialien in Lösung“ gleich an zwei Standorten. Eine Hälfte des Labors befindet sich in Adlershof, die andere am Fachbereich Physik der Freien Universität. Während sich die Gruppe am BESSY II vorwiegend mit der Analyse von Strukturen beschäftigt, sollen in Dahlem mithilfe hochmoderner Lasertechnik die Dynamiken dieser Strukturen untersucht werden.

Die Leitung des Gesamtlabors liegt bei Emad Aziz, Professor am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin. Wenn sich der 33-jährige gebürtige Ägypter, der mittlerweile einen deutschen Pass besitzt, seinen Weg durch die Experimentierkammern bahnt, freut er sich, wie „sein Projekt“ wächst und gedeiht. „Ihr seid echte Genies“, lobt er sein Team.

Schon vor der Eröffnung wurde in Adlershof und Dahlem viel getüftelt, Studierende der Chemie und Physik waren am Aufbau der Labore intensiv beteiligt: Schläuche wurden überprüft, Drähte verkabelt, Rohre abgedichtet oder auch Bildschirme fixiert, auf denen in Diagrammen und Zahlenreihen erste Ergebnisse aufleuchten.

Rund 3,5 Millionen Euro stehen dem Team um Emad Aziz für einen Zeitraum von fünf Jahren zur Verfügung. Ein großer Teil dieser Summe stammt aus Geldern von Wissenschaftspreisen, mit denen Aziz ausgezeichnet wurde, sowie aus erfolgreich beantragten Fördermitteln der Helmholtz-Gemeinschaft oder der Europäischen Union. „Das erlaubt uns, unter völlig neuen Bedingungen zu forschen“, sagt Aziz. In den Laboren werden Flüssigkeiten mittels sogenannter weicher Röntgenstrahlung und extrem ultravioletter Strahlung analysiert – Verfahren, die in der Forschung erst seit wenigen Jahren möglich sind. Hierfür muss die zu untersuchende Flüssigkeit zunächst in ein Vakuum verbracht werden, indem die sie umgebende Luft mithilfe komplexer Apparaturen abgesaugt wird. Damit die Flüssigkeit dabei nicht verdampft, wird sie in einer kleinen Durchflusszelle mit sehr dünnen Membranen von der Vakuum-Umgebung abgetrennt. Eine sensible Aufgabe, denn die Membran darf nicht verletzt werden. Aziz und sein Team nutzen seit Kurzem auch eine Untersuchungsmethode, die diese Membranen überflüssig macht. Dabei wird die Flüssigkeit in einem kaum sichtbaren dünnen Strahl mit hoher Geschwindigkeit in die Vakuum-Kammer gepumpt und dann schnell gemessen, bevor die Probe verdampft.

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Emad Aziz leitet das für das Projekt gegründete neue Labor mit Standorten an der Freien Universität und in Adlershof.
Emad Aziz leitet das für das Projekt gegründete neue Labor mit Standorten an der Freien Universität und in Adlershof. Bildquelle: Bernd Wannenmacher

Auch in Flüssigkeit gelöste Metallionen – elektrisch geladene Atome oder Moleküle etwa von Eisen, Kupfer oder Kobalt – werden in den Laboren auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Die Metallionen können unter anderem Bestandteile von Proteinen sein, wo sie als Katalysatoren für biochemische Reaktionen dienen und so biologische Schlüsselfunktionen in den Zellen des menschlichen Körpers erfüllen.

Die Arbeit der Materialforscher ist von großer Bedeutung nicht nur für die Energiebranche. So wollen die Wissenschaftler beispielsweise herausfinden, ob sich die Eigenschaften von Solarzellen unterscheiden, je nachdem mit welchen Verfahren und aus welchen Materialien die Zellen hergestellt werden. Und auch für die Entwicklung wasserstoffbetriebener Autos könnte die Forschung neue Erkenntnisse bringen. Die Medizin erhofft sich ebenso Antworten auf bisher noch nicht oder nur unvollständig gelöste Fragen. Die Forscher stehen vor zahlreichen Herausforderungen, die nur mit interdisziplinärer Zusammenarbeit bewältigt werden könnten, ist Aziz überzeugt: „Der Biologe muss sich mit dem Physiker, der Chemiker mit dem Mediziner austauschen.“

Von einem solchen Austausch profitieren auch die Nachwuchswissenschaftler. Nicholas Engel, einer der Physik-Studenten aus dem Aziz-Team, untersucht für seine Masterarbeit einen Eisen-Metall-Komplex. Die Ergebnisse des 25-Jährigen sind so interessant, dass er sie im Juli bei einer internationalen Röntgenspektroskopie-Konferenz in Peking vorstellen durfte, auf der sich mehrere hundert Wissenschaftler getroffen haben. „Er war vermutlich der einzige deutsche Masterstudent, der teilgenommen hat“, sagt Aziz nicht ohne Stolz.

Emad Aziz kam 1999 über ein Stipendium des Deutschen Akademischen Austauschdienstes nach Deutschland. Inzwischen hat der Physiker mit dem Forschungsschwerpunkt Synchrotron-Strahlung mehr als 40 Fachpublikationen verfasst. Wissenschaftlich bewegt er sich zwischen Chemie, Physik und Biologie, 2011 wurde er mit dem Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin ausgezeichnet.

Es sei wichtig, dass Deutschland im Ausland mit neuesten Forschungsergebnissen hervortrete, sagt HZB-Geschäftsführererin Professorin Anke-Kaysser-Pyzalla: „Wir möchten, dass die Besten für die Forschung zu uns kommen.“

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