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Der neue Exzellenzcluster ist in der Pole-Position, um ein neues Feld zu erforschen

Funktionalitäten stehen im Zentrum des neuen Exzellenzclusters „Advanced Imaging of Matter“. Das Forschungsprojekt wird ab dem 1. Januar 2019 im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder für einen Zeitraum von sieben Jahren  gefördert. Es wird die international hoch anerkannte Forschungsarbeit im „Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“ (CUI) fortsetzen und dabei das Spektrum der wissenschaftlichen Arbeit um hochaktuelle, neue  Fragen erweitern: Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden Pionierarbeit leisten und die Grundlagen für zukünftige Innovationen legen. Ihre Grundlagenforschung  wird zu neuen technologischen Innovationen führen und neue Perspektiven für die Medizin und die Materialwissenschaften eröffnen. „Advanced Imaging of Matter“ basiert auf der herausragenden wissenschaftlichen Expertise und Infrastruktur in Hamburg und wird das Verständnis über und die Kontrolle von Materie auf molekularer Ebene revolutionieren.

Die Sprecher des neuen Clusters (v.l.): Prof. Horst Weller, Prof. Klaus Sengstock (beide Universität Hamburg) und Prof. Henry Chapman (Universität Hamburg, DESY). Foto: Claudia Höhne

Innerhalb der vergangenen sechs Jahre  hat sich CUI zu einer international sichtbaren Marke entwickelt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Clusters drehten die ersten molekularen Filme, sie beobachteten erstmals kurzzeitige Supraleitung bei Raumtemperatur und sie entwickelten neue Methoden zur Abbildung von Biomolekülen mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Der neue Cluster wird auf dieser Expertise im Bereich der hochentwickelten Abbildung aufbauen und die Forschung auf die nächste Ebene heben.

‚More is different‘ – dieses berühmte Aussage des Nobelpreisträgers P.W. Anderson bringt den Kern des neuen Projektes auf den Punkt. Atome binden sich zu Festkörpern, Moleküle inter- und reagieren: Mit zunehmender Komplexität und Größe eines Systems entstehen neue Funktionalitäten, die die Tür zu neuen Anwendungen öffnen – in der magnetischen Datenspeicherung, für die verlustfreie Leitung von Strom und für das große Feld der Lebenswissenschaften, um einige Beispiele zu nennen.

„Uns verbindet die Frage…“

„Uns verbindet die Frage, wie sich aus den Wechselwirkungen und der Bewegung von Atomen und Molekülen größere Strukturen mit neuen Materie-Eigenschaften entwickeln“, sagen die Cluster-Sprecher Prof. Henry Chapman, der an der Universität Hamburg und bei DESY forscht, Prof. Klaus Sengstock und Prof. Horst Weller von der Universität Hamburg. Denn die neuen Funktionalitäten sind nicht nur die Summe der intrinsischen Eigenschaften der kleinen Bausteine; vielmehr entstehen grundsätzlich neue Eigenschaften auf einer höheren Hierarchie-Ebene.

‚Beobachten, verstehen und kontrollieren‘ lautet das Leitmotiv der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Sie werden unter anderem

  • die Dynamik chemischer Reaktionen abbilden und neue Reaktionswege schaffen
  • nicht-leitende Materialien so anregen, dass sie zu Supraleitern werden,
  • die atomaren Details und Bewegungen von Proteinen darstellen.

„Sobald wir herausgefunden haben, wie diese Prozesse ablaufen, möchten wir lernen, wie wir sie kontrollieren können, um dann neue Funktionalitäten zu schaffen, die in der natürlichen Umgebung bislang nicht vorkommen“, erklären die Sprecher. „Denn das Verständnis für das Auftreten neuer Funktionalitäten und die Möglichkeiten, sie gezielt zu kontrollieren, ist die entscheidende Voraussetzung für wahre Innovationen.“

Die großen Herausforderungen unserer Zeit

Die großen Herausforderungen unserer Zeit – etwa die Gewinnung und Speicherung von Sonnenenergie,  die Katalyse chemischer Reaktionen, die schnelle Kodierung großer Datenmengen, die Infektionshemmung in unseren Zellen, oder die Minimierung der Energiekosten von Computerleistung – erfordern ein tiefes Verständnis der Funktionsprinzipien der Natur.

Mit einer Fachrichtung allein ist dies nicht möglich. Um diese Prinzipien auf allen Ebenen natürlicher Hierarchien zu identifizieren, gilt es, die Grenzen zwischen den Disziplinen zu überwinden. „CUI hat uns bereits darauf vorbereitet, die Expertisen aus Femto-Chemie, Protein-Nanokristallographie, Nanoscience, kalten Quantengasen,  Physik kondensierter Materie, nicht-linearer Röntgenphysik, Strukturbiologie und Physik der Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie zu kombinieren“, erläutern Chapman, Sengstock und Weller. „Dieses Wissen wird uns auf direktem Weg zu einem breiten Verständnis über das Auftreten von Funktionalitäten führen.“

Das neue Vorhaben basiert auf der enormen Expertise in Hamburg

Das neue Vorhaben basiert auf der enormen Expertise, die in den vergangenen 15 Jahren in Hamburg in den Photon- und Nanowissenschaften zusammengebracht wurden. In einem gemeinsamen strategischen Kraftakt ist es den Partnerinstitutionen Universität Hamburg, DESY, Max-Planck-Gesellschaft und European XFEL gelungen, ein herausragendes und eng koordiniertes Team internationaler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Hamburg zu etablieren. In dem neuen Cluster werden 160 Forschende der vier Institutionen eng zusammenarbeiten. Sie verbindet ein gemeinsames wissenschaftliches Interesse und die Vision, ein weltweit führendes Forschungsprogramm aufzubauen, das die Grenzen der Wissenschaft neu justieren wird. Damit ist der neue Cluster gleichzeitig ein Motor für die Entwicklung der Metropolregion Hamburg als Wissenschafts- und Forschungsstandort.

Das für diese Forschung am besten geeignete Werkzeug ist Licht. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler steht eine herausragende Infrastruktur zur Verfügung: große Anlagen für die Forschung mit Photonen, modernste Röntgenquellen und unterschiedliche hochmoderne Labore mit weltweit führenden ultraschnellen Lasern und Instrumenten im Labor.

Dank dieser in Europa fast einzigartigen Kombination aus hochentwickelter Infrastruktur und kooperierenden Institutionen in Hamburg, konnten die Universität Hamburg, das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, die Max-Planck-Gesellschaft und die European XFEL GmbH das neue Wissen zur Beschreibung der komplexen Dynamiken in der Natur ergründen. Ihre Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wurden zu Pionieren im Bereich der atomar aufgelösten Untersuchung von Dynamik und Materie und machten Licht als Kontrollmöglichkeit für Quantenmaterie nutzbar. „Mit unserer Expertise und Infrastruktur sind wir in der Pole-Position, um ein neues Feld zu erforschen“, sagen die Sprecher. Text: CUI