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Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Neue Bauelemente für die Computer der Zukunft, energiesparende Supercomputer und maßgeschneiderte Materialien und Werkstoffe für den Einsatz in Technik und Medizin zählen zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien von morgen. 

Aufgabe

Der Forschungsbereich Schlüsseltechnologien zielt auf die Entwicklung generischer Technologien, um die Zukunftsfähigkeit unserer Gesellschaft zu sichern.

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Nano-Spintronics-Cluster-Tool. Jülicher Wissenschaftler erforschen die Grundlagen für die Datenspeicher von morgen.
Bild: Digitalfotografie, Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich

Die Wissenschaftler im Forschungsbereich Schlüsseltechnologien erforschen und entwickeln generische Technologien, welche entlang der neuen Hightech-Strategie und anderer Programme der Bundesregierung Antworten auf die globalen Herausforderungen, insbesondere in den prioritären Zukunftsaufgaben für Wohlstand und Lebensqualität – Digitale Wirtschaft und Gesellschaft, Nachhaltiges Wirtschaften und Energie, Gesundes Leben, Intelligente Mobilität und Zivile Sicherheit – erarbeiten werden.

Dabei decken die im Forschungsbereich bearbeiteten Forschungsprogramme die ganze Bandbreite von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung ab und wirken multidisziplinär zusammen. Modernste Forschungsinfrastrukturen (Großgeräte und Technologieplattformen) werden durch eigene Forschung wissenschaftlich weiterentwickelt und einer breiten Nutzergemeinschaft (vor allem auch externen Partnern) zur Verfügung gestellt.

Ausblick

Um Impulse für Innovationen zu geben und die Spitzenstellung Deutschlands als Wissenschaftsstandort zu sichern und auszubauen, ist es von großer Bedeutung, die bewusst breite und anwendungsoffene Grundlagenforschung des Bereichs Schlüsseltechnologien weiter voranzutreiben. Dabei ist die Auseinandersetzung mit ethischen Fragen, die in Zusammenhang mit Forschung und Technologieentwicklung entstehen, ein integraler Bestandteil.

Der Forschungsbereich adressiert zentrale wissenschaftliche Themen, die für die Entwicklung in den drei Schwerpunktthemen Informationstechnologien, Materialwissenschaften und Lebenswissenschaften, in den nächsten Dekaden richtungsweisend sein werden. Die bereits in der letzten Förderperiode sehr erfolgreich betriebenen Forschungsprogramme in den Bereichen Material- und Nanowissenschaften, Informations- und Kommunikationstechnologien sowie Lebenswissenschaften werden weiter vorangetrieben und verstärkt. Die Integration multidisziplinärer Ansätze, beispielsweise die Verknüpfung von Technologie und Medizin, Biologie und Physik, Simulation und Big Data, Supercomputing und Hirnforschung oder mikrobieller Biotechnologie und Pflanzenwissenschaften legt die Grundlage für neuartige Lösungen in den Schlüsseltechnologien.

Die Programme in der Förderperiode 2015-2019

An dem Forschungsbereich Schlüsseltechnologien sind drei Helmholtz-Zentren beteiligt: das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Der Forschungsbereich umfasst sieben Programme sowie die zwei forschungsbereichsübergreifenden Programme „Future Information Technology“ und „Technology, Innovation and Society“ (gemeinsam mit dem Forschungsbereich Energie):

Forschungsprogramme


Supercomputing & Big Data

Das Hauptziel des Programms ist es, im Rahmen nationaler und europäischer Strukturen unverzichtbare Instrumente und Infrastrukturen des Höchstleistungsrechnens und für das Management und die Analyse großskaliger Datenbestände für die deutsche und europäische Wissenschaft zur Verfügung zu stellen.


Nano-Spintronics-Cluster-Tool. Jülicher Wissenschaftler erforschen die Grundlagen für die Datenspeicher von morgen.
Bild: Digitalfotografie, Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich

Future Information Technology – Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency

Forschungsziel dieses Helmholtz-Forschungsprogrammes ist es mittels neuer innovativer Forschungsansätze neue Bauelemente und Architekturkonzepte zu entwickeln, um die Rechenleistung, Datenspeicherdichten und Datenübertragungsraten von Informationstechnologien zu erhöhen und gleichzeitig den Bedarf an elektrischer Energie dramatisch zu reduzieren.


Science and Technology of Nanosystems

Ziel des Programms ist es, Nanosysteme mit einzigartiger Funktionalität zur erforschen und zu entwickeln. Hierfür verfolgen die beteiligten Wissenschaftler die Vision einer gezielten Gestaltung und Kontrolle von Materialien von der atomaren und molekularen über die nano- und mikroskalige bis hin zur makroskaligen Dimension.


Advanced Engineering Materials

Die Forschung im Programm „Advanced Engineering Materials“ adressiert Herausforderungen zur Entwicklung von Werkstoffen und Materialien einschließlich der dafür erforderlichen Prozesstechnologien zur Realisierung von geringem Gewicht bei herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie zur Implementierung von Multifunktionalität.


BioSoft - Fundamentals for Future Technologies in the Fields of Soft Matter and Life Sciences

Das Programm verfolgt das Ziel, neue, nanostrukturierte funktionale Materialien zu entwickeln und wissensbasierte Strategien zur Krankheitstherapie zu erzeugen – mittels anwendungsorientierter Grundlagenforschung in den Gebieten der weichen Materie sowie der molekularen und zellulären Biophysik.


Bild: Forschungszentrum Jülich

BioInterfaces in Technology and Medicine

Die Wissenschaftler in diesem Programm werden umfassende Analysen an Zellkulturen, Biofilmen, Tiermodellen und Patientenproben durchführen, um die natürlichen Kontrollmechanismen der Zellteilung und -differenzierung zu entschlüsseln. Darauf basierend soll rationales Design multifunktionale synthetische Moleküle zur Manipulation von Zellen in Bioreaktoren oder im Organismus liefern sowie die Entwicklung biomimetischer Substrate zur 3D-Kultivierung von Stammzellen ermöglichen.


Bilder: Forschungszentrum Jülich

Decoding the Human Brain

Das Programm „Decoding the Human Brain“ zielt auf die Entwicklung eines realistischen, dreidimensionalen Modells des menschlichen Gehirns. Dieses soll die funktionelle und strukturelle Hirnorganisation auf den verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen umfassen.


Key Technologies for the Bioeconomy

Die Aufgabe des Programmes „Key Technologies for the Bioeconomy“ im Rahmen eines umfassenden Konzepts der nachhaltigen Bioökonomie ist die Optimierung der biologischen Ressourcen für die Bioökonomie. 


Technology, Innovation and Society

Ziel des forschungsbereichsübergreifenden Programms ist die Erforschung ökologischer, ökonomischer, politischer, ethischer und sozialer Aspekte neuer Technologien zur Unterstützung von Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.

Einblicke in den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Durchbruch in der Elektronenmikroskopie: Kristallstruktur in drei Dimensionen

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Chunlin Jia vom Jülicher Ernst Ruska-Centrum arbeitet am Elektronenmikroskop TITAN und ist an der Studie beteiligt. Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Die neue Methode gilt als ein Kunststück: Mit der Aufnahme eines ultrahochauflösenden Elektronenmikroskops lassen sich Kristallstrukturen in allen drei Dimensionen atomgenau rekonstruieren. Das haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, des Ernst Ruska-Centrums für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) sowie der chinesischen Xian Jiaotong Universität geschafft. Mit dem Verfahren lassen sich gerade strahlungsempfindliche Proben vollständig räumlich erfassen, die sonst durch einen energiereichen Messstrahl rasch zerstört würden.

Bei Nanoteilchen bestimmt die Oberfläche die physikalischen und technischen Eigenschaften weit mehr als bei anderen Stoffen. Wissenschaftler haben es nun zum ersten Mal geschafft, die räumliche Anordnung der Atome in Nanoteilchen – ausgehend von einer einzigen elektronenmikroskopischen Aufnahme – zu errechnen.

Die vergleichsweise kurze Aufnahmedauer könnte es künftig sogar ermöglichen, kurzlebige Zwischenschritte chemischer Reaktionen zu beobachten. Darüber hinaus erlaubt es das sanfte Messverfahren, auch leichte chemische Elemente nachzuweisen. Für die neue 3D-Messmethode wird die dünne kristalline Probe so im Mikroskop positioniert, dass die Atome an den Knotenpunkten des Kristallgitters genau übereinanderliegen und Säulen entlang der Beobachtungsachse bilden. Diese Atomsäulen sind später nur als helle Punkte auf der mikroskopischen Aufnahme sichtbar. Ein spezieller Abbildungsmodus verbessert noch das Signal-Hintergrund-Verhältnis. So werden feine Unterschiede sichtbar, die den Forschern verraten, wo sich die einzelnen Atome in den Säulen entlang der Strahlrichtung befinden.

Für die Rekonstruktion der räumlichen Struktur vergleichen die Wissenschaftler die Aufnahme mit Berechnungen am Computer. Anschließend passen sie den errechneten Modellkristall Schritt für Schritt an, bis die Abbildung mit der elektronenmikroskopischen Aufnahme optimal übereinstimmt. Um die Eindeutigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu belegen, haben die Wissenschaftler umfangreiche statistische Tests durchgeführt. Diese zeigten auch, dass die Methode nicht nur empfindlich genug ist, um jedes einzelne Atom nachzuweisen: Sie kann auch zwischen den Elementen des Kristalls unterscheiden.


Neue Möglichkeiten beim Design von Blockopolymer-Membranen

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Durch Mischen zweier Blockcopolymere bilden sich in der daraus hergestellten Membran Poren einer mittleren Größe aus, wobei eine lineare Abhängigkeit zum Mischungsverhältnis besteht. Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Bislang musste für jede isoporöse Membran mit einer bestimmten Porengröße ein maßgeschneidertes Blockcopolymer synthetisiert werden. Am Institut für Polymerforschung des HZG haben die Membranforscher nun ein zeitsparendes und überraschend einfaches Verfahren entwickelt: Durch simples Mischen zweier Blockcopolymere kann die gewünschte Porengröße über ein lineares Mischungsverhältnis eingestellt werden.


Regulation von Stammzellen durch Mikrostrukturierte Polymeroberflächen

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Die räumliche Organisation der Stammzelle entsprechend der Geometrie der Mikrovertiefung (links) hat Einfluss auf zelluläre Prozesse, wie hier rechts die Dichte der Knochenzellbildung. Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Am HZG-Institut für Biomaterialforschung wurde eine Polymeroberfläche mit unterschiedlichen Mikrovertiefungen entwickelt, die die Eigenschaften und Funktionen von Stammzellen regulieren kann. Im Gegensatz zur runden unterstützt eine quadratische Strukturierung bei humanen mesenchymalen Stammzellen (Vorläuferzellen des Bindegewebes) sowohl die Zellteilung und den Gewebeaufbau als auch deren Entwicklung in Knochenzellen. Diese Ergebnisse liefern nützliche Informationen für das Design medizinischer Implantate zur Förderungen der körpereigenen Geweberegeneration.


Reflektionsarme Flügel machen Schmetterlinge fast unsichtbar

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Im Gegensatz zu anderen durchsichtigen
Flächen reflektieren die Flügel des Glasflüglers (lat.: Greta oto) kaum Licht. Bild:
KIT/Radwanul Hasan Siddique

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Der Effekt ist vom Handy bekannt: In der Sonne spiegelt das Display, man erkennt fast nichts mehr. Abhilfe könnte vom Vorbild Natur kommen: Die durchsichtigen Flügel des Glasflügel-Schmetterlings reflektieren kaum Licht. Dadurch ist der Schmetterling für Fressfeinde beinahe unsichtbar. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie fanden heraus, dass unregelmäßige, säulenförmige Nanostrukturen auf der Oberfläche des Schmetterlingsflügels die geringe Reflexion bewirken. In theoretischen Experimenten konnten sie den Effekt nachvollziehen.


Pseudoteilchen wandern durch photoaktives Material

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An dem photoaktiven Material Zinkoxid untersuchten Wissenschaftler die Bildung und Bewegung von sogenannten Polaronen. Bild: Patrick Rinke/
Aalto University

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Prozesse, die Licht in speicherbare Energie umwandeln, können wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung beitragen. Einen wichtigen Schritt dahin haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie aufgeklärt: Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Fritz-Haber- Instituts Berlin und der Aalto University in Helsinki, Finnland, untersuchten sie die Bildung von sogenannten Polaronen in Zinkoxid. Diese Pseudoteilchen wandern durch das photoaktive Material, bis sie an einer Grenzschicht in elektrische oder chemische Energie umgewandelt werden.


Supercomputer bestätigt unser Weltbild

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Der Superrechner JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich. Bild: Forschungszentrum Jülich.

Forschungszentrum Jülich

Nur weil das Neutron ein ganz klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt ermöglichen. Ein europäisches Team von Wissenschaftlern, zu dem auch Jülicher Forscher gehören, hat diese winzige Massendifferenz erstmals auf dem Jülicher Supercomputer JUQUEEN berechnet. Die Fachzeitschrift Science präsentiert die Ergebnisse, die von vielen Physikern als Meilenstein und Bestätigung der Theorie der starken Wechselwirkung – einem Baustein der Standardtheorie der Elementarteilchenphysik – angesehen werden.


Van-der-Waals-Kraft neu vermessen

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Schematischer Versuchsaufbau:
Beim Ablösen verschiedenartiger
Moleküle von der Metalloberfläche ließen sich die Van-der-Waals-Kräfte durch Frequenzänderungen der Spitze des Rasterkraftmikroskops ermitteln. Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Die Van-der-Waals-Kräfte sind dafür verantwortlich, dass sich auch bindungsmäßig gesättigte Moleküle untereinander anziehen. Damit wirken sie als eine Art Quantenkleber auf Materie ein. Wie stark sie einzelne Moleküle an eine Oberfläche binden, haben Jülicher Wissenschaftler mit einem neuen Messverfahren bestimmt. Mit dem Rasterkraftmikroskop konnten sie nachweisen, dass die Kräfte nicht nur mit der Molekülgröße ansteigen, sondern sogar überproportional dazu anwachsen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, grundlegende Simulationsmethoden zu verbessern.

Kontakt

Prof. Dr. Wolfgang Marquardt

Forschungsbereichskoordinator Schlüsseltechnologien

Forschungszentrum Jülich

Wilhelm-Johnen-Straße
52425 Jülich

Postanschrift:
52425 Jülich

Telefon: +49 2461 61-3000
Fax: +49 2461 61-2525
w.marquardt (at) fz-juelich.de
www.fz-juelich.de


Dr. Katrin Feuser

Forschungsbereichsbeauftragte Schlüsseltechnologien

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Telefon: +49 30 206329-20
katrin.feuser (at) helmholtz.de


29.04.2016