Helmholtz-Gemeinschaft
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Forschungsbereich Materie

Im Helmholtz-Forschungsbereich „Materie“ werden die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte in ganz unterschiedlichen Größenordnungen erforscht, von Elementarteilchen bis zu Strukturen im Universum.

Aufgabe

Forschungsgegenstand sind die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte, von Elementarteilchen über komplexe Funktionsmaterialien bis zu den gigantischen Objekten und Strukturen im Universum.

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Mit dem Großexperiment KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment) soll die Masse von Neutrinos bestimmt werden. Bild: KATRIN/KIT

Eine wichtige Aufgabe ist dabei die Entwicklung, der Aufbau und der Betrieb von wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen. Ob Teilchenbeschleuniger für Synchrotron-, Neutronen- oder Ionen-Anlagen, Detektor- oder Datennahmesysteme - die Helmholtz-Gemeinschaft stellt in diesem Forschungsbereich große, teilweise einzigartige Infrastrukturen zur Verfügung, die von Forschern aus dem In- und Ausland genutzt werden. Mit dem European XFEL, dem Röntgenlaser am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, der in europäischer Zusammenarbeit aufgebaut wird, und der "Facility for Antiproton and Ion Research FAIR", die an der GSI - Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt mit internationaler Beteiligung errichtet wird, entstehen die in Deutschland bisher größten, international betriebenen und finanzierten Forschungsinfrastrukturen. In den Helmholtz-Allianzen "Physik an der Teraskala", "Extreme Dichten und Temperaturen - Kosmische Materie im Labor" und "Astroteilchenphysik" kommen die Kompetenzen aus Helmholtz-Zentren, Universitäten und Max-Planck-Instituten zusammen. Die Vernetzung mit Universitäten und Forschungszentren aus dem In- und Ausland wird über weitere Forschungsplattformen wie beispielsweise dem "Center for Free-Electron Laser Science" (CFEL) verstärkt.

Ausblick

Der Forschungsbereich besteht aus drei Forschungsprogrammen: Im Programm "Materie und Universum" werden alle grundlagen-orientierten Disziplinen - Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der Hadronen und Kerne sowie Atom- und Plasmaphysik - zusammengeführt. Das zweite Programm "Von Materie zu Materialien und Leben" ist stark an die wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen des Forschungsbereichs gekoppelt, die einer internationalen Nutzerschaft aus Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Medizin zur Verfügung stehen. Es fasst dabei die Eigenforschung der Helmholtz-Zentren zusammen, um neue Materialien und Wirkstoffe zu entwickeln sowie Phänomene in kondensierter Materie, elektromagnetischen Plasmen und in biologischen Systemen zu untersuchen. In dem dritten Programm "Materie und Technologien" geht es um die Entwicklung neuer technologischer Konzepte auf den Gebieten der Teilchenbeschleunigung und Detektorsysteme und der Weiterentwicklung von High Performance Computing- und Datenspeicherung. Ziel der für die dritte Programmperiuode geltenden Neuordnung des Forschungsbereichs ist es, Synergieeffekte zu verstärken und grundlegende Technologien für die Welt von morgen zu entwickeln.

Die Programmstruktur in der Förderperiode 2015-2019

Im Forschungsbereich Materie wirken sieben Helmholtz-Zentren zusammen: das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY, das Forschungszentrum Jülich, die GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Außerdem sind zwei Helmholtz-Insitute beteiligt: das HI Mainz und das HI Jena.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler arbeiten in drei Programmen:

Forschungsprogramme


Matter and Technologies

Der Forschungsbereich „Materie“ beschäftigt sich mit grundlegenden Fragen der Naturwissenschaft zum Ursprung und zur Beschaffenheit von Materie. Mit Hilfe großer Forschungsinfrastrukturen wie Beschleunigern, Strahlungsquellen und Detektoren gehen die Wissenschaftler des Forschungsbereichs diesen Fragen nach.


Matter and the Universe

Die Eigenschaften der kleinsten subatomaren Teilchen und die Kräfte zwischen ihnen bestimmen die Eigenschaften der Materie und des Universums. Grundlegende Erkenntnisse zur Struktur der Materie wurden sowohl mit den Methoden der Kern- und Elementarteilchenphysik gewonnen als auch durch Beobachtungen und Messungen der Astroteilchenphysik an den Schnittstellen von Kern- und Teilchenphysik, Astronomie, Astrophysik und Kosmologie.


From Matter to Materials and Life

Im Programm „From Matter to Materials and Life” (MML), vormals „Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen“ (PNI), nutzen die Forscher wissenschaftliche Großgeräte und große Forschungsinfrastrukturen, um die Struktur, Dynamik und Funktion von Materie und Materialen zu erforschen, die nicht mit konventionellen Laborinstrumenten zugänglich sind.

Einblicke in den Forschungsbereich Materie

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

Vielversprechender Ansatz im Kampf gegen Krankenhauskeime

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Die Strahlführung P11 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III ist speziell für Beugungsexperimente mit biologischen Proben ausgelegt.
Bild: Heiner Müller- Elsner/DESY

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Antibiotikaresistente Bakterien sind vor allem in Krankenhäusern ein wachsendes Problem. Gegen so genannte Methicillin-resistente Staphylokokken (MRSA) beispielsweise sind oft alle gängigen Antibiotika wirkungslos. Gefördert wird die Resistenzbildung unter anderem durch den Einsatz von Antibiotika in der Massentierhaltung.

Hamburger Forscher haben gemeinsam mit Kollegen aus Brasilien und China an DESYs Röntgenlichtquellen einen vielversprechenden Ansatz entwickelt, um antibiotikaresistente Krankenhauskeime zu überlisten. Statt die MRSA-Bakterien direkt zu attackieren, greifen die Wissenschaftler in einen für den Krankheitserreger lebenswichtigen Stoffwechselzyklus ein.

„Klassische Wirkstoffe blockieren eine bestimmte Funktion des Bakteriums“, sagt Christian Betzel von der Universität Hamburg, der im Laboratorium für Strukturbiologie von Infektion und Entzündung auf dem DESY-Campus forscht. „Dann kann das Bakterium einen Weg um die Blockade herum entwickeln und wird dadurch resistent gegen diesen Wirkstoff.“ Die Forscher um Betzel und Carsten Wrenger von der Universität São Paulo greifen dagegen geschickt in den Vitamin-B1-Zyklus der Staphylokokken ein, ohne diesen zu blockieren.

Dazu haben sie die Struktur eines daran beteiligten Enzyms atomgenau bestimmt. Die Wissenschaftler „füttern“ dieses Enzym dann mit einer maßgeschneiderten, scheinbar nützlichen Zutat. Dieses so genannte Substrat ist jedoch gegenüber der natürlichen Variante ganz leicht verändert. Es entsteht eine nutzlose Form des Vitamins. Das Bakterium ist aber darauf angewiesen, das lebenswichtige Vitamin B1 selber herzustellen.

„Damit überlisten wir den Organismus“, sagt Betzel. „Wir geben ihm etwas, von dem er glaubt, dass er es benötigt – aber in leicht veränderter Form, so dass er letztlich nichts damit anfangen kann.“ Das Vitamin eignet sich aus zwei Gründen besonders als Ansatzpunkt: „Der Vitamin-B1-Zyklus ist essenziell. Dazu gibt es kaum alternative Wege“, sagt Markus Perbandt, Co-Autor der Studie. „Außerdem haben Menschen kein ähnliches Enzym. Das ist sehr wichtig, um Kreuzreaktionen zu vermeiden.“

Die Kenntnis, mit der atomgenauen Struktur eines Biomoleküls einen Wirkstoff maßzuschneidern, ist nicht nur bei der Bekämpfung von Krankenhauskeimen relevant. Sie könnte später eventuell auch gegen andere Erreger eingesetzt werden.


BESSY II mit zweiter Spur

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Die zweite Spur windet sich um die erste Spur herum. Sie lässt sich mit zusätzlichen Elektronenpaketen besetzen, die Licht für die Experimente abgeben.
Bild: HZB

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Der Berliner Elektronenspeicherring BESSY II am HZB lässt sich neuerdings auch zweispurig betreiben. Durch raffinierte Einstellungen an den Magnetoptiken erzeugen die Physiker eine stabile, zweite Spur, auf der zusätzliche Elektronenpakete zirkulieren und Lichtblitze an die Experimentierstationen abgeben. Die Nutzergemeinschaft könnte so in Zukunft nach Bedarf unterschiedliche Lichtblitze der einen oder der anderen Spur für ihre Experimente auswählen. Damit hat das HZB einen weiteren Meilenstein in Richtung des Zukunftsprojektes BESSY-VSR erreicht.


Neue Atomkerne entdeckt

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Letzte Vorbereitungen: die Leiterin des Experiments Dr. Sophia Heinz von GSI und der S tudent Devaraja Malligenahalli vom Manipal Centre for Natural Sciences an der Elektronik des Experimentaufbaus.
Bild: G. Otto, GSI

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, vier neue schwere Atomkerne zu erzeugen. Es handelt sich um jeweils ein Isotop der Elemente Berkelium und Neptunium sowie zwei Isotope des Elements Americium. Sie zerfallen je nach Variante des Stoffes nach wenigen Millisekunden oder Sekunden. Mithilfe von speziellen Filtern aus elektrischen und magnetischen Feldern an den GSI-Forschungsanlagen lassen sich die Zerfallsprodukte separieren und analysieren. Die Identifikation des neuen Isotops geschieht durch den Nachweis aller Zerfallsprodukte.


Domänenwände leiten Spinwellen

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Die Spinwelle bleibt in der Domänenwand (Mitte) gefangen. Dadurch lässt sich der Ausbreitungsweg gezielt kontrollieren.
Grafik: HZDR/H. Schultheiß

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Spinwellen könnten die Zukunft schneller und energiesparender Datenverarbeitung sein. Diese Informationsträger beruhen auf dem Eigendrehimpuls von Elektronen. Sie auf der Nanoebene zu kontrollieren, war jedoch bisher sehr aufwendig. Forscher des HZDR konnten sie nun erstmals mit Hilfe sogenannter Domänenwände gezielt leiten. Diese Grenzbereiche zwischen Arealen unterschiedlicher Magnetisierung können mit kleinen Magnetfeldern manipuliert werden. Die Entdeckung legt einen Grundstein für Nano-Schaltkreise, die auf Spinwellen basieren.


Neue Detektionstechnik für kosmische Strahlung

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Ein Luftschauer aus vielen Teilchen trifft in dieser Bildmontage auf das Detektorfeld im Kern des Teleskops LOFAR im niederländischen Exloo.
Bild: ASTRON/KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Hochenergetische kosmische Strahlen erzeugen in der Erdatmosphäre „Luftschauer“ aus Sekundärteilchen und elektromagnetischer Strahlung. Deren Messung gibt Aufschluss über die Eigenschaften der Primärteilchen. Mit Radioantennen bei LOFAR und beim Pierre-Auger-Observatorium wurde nun gezeigt, dass mittels des am KIT entwickelten Simulationscodes CoREAS die Energie der Primärteilchen und die Elementkomposition der kosmischen Strahlung mit hoher Präzision bestimmt werden können. Dies öffnet ein vielversprechendes Fenster zu den Quellen der Partikel.


Neue Massstäbe für 3D-Aufnahmen aus der Nanowelt

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Elektronentomografische 3DRekonstruktion eines Nanoröhrchens (orange) auf einer Kohlenstoffrägerschicht (blau).
Bild: Migunov, V. et al Sci. Rep.5, 14516, 2015 (CC BY 4.0)

Forschungszentrum Jülich

Wissenschaftler des Ernst Ruska-Centrums, das zu gleichen Teilen vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen betrieben wird, haben mit einem Transmissionselektronenmikroskop rund 3.500 Bilder in 3,5 Sekunden aufgenommen. Die Bildserie dient als Datenbasis für die tomografische 3D-Rekonstruktion. Bislang waren zehn bis 60 Minuten und die zehnfache Elektronenstrahldosis nötig, um entsprechende Bildserien anzufertigen. Die schonende Aufnahmetechnik eignet sich insbesondere zur Untersuchung von Zellen, Bakterien und Viren. Zudem ermöglicht es das Verfahren, chemische Reaktionen oder elektronische Schaltvorgänge in Echtzeit und 3D sichtbar zu machen.


Werkzeuge verbessern durch die in situ-Charakterisierung des Filmwachstums dünner Schichten

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Kammer für in situ-U ntersuchungen des Wachstums dünner Schichten im Röntgenstrahl an der HZG-Beamline HEMS an PETRA III.
Bild: HZG

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

Hochleistungswerkzeuge zum Fräsen, Drehen und Bohren erhalten durch dünne Beschichtungen eine besondere Widerstandsfähigkeit. Für die in situ-Untersuchung des Wachstums dieser Schichten wurde am HZG in Kooperation mit schwedischen Partnern eine spezielle Kammer entwickelt. Am Instrument HEMS an PETRA III werden während des Beschichtungsvorgangs Experimente mit hochenergetischer Röntgenstrahlung durchgeführt. Sie liefern wertvolle Informationen über die Dynamik des Filmwachstums und damit für die Optimierung der Parameter für die Herstellung der Beschichtungen.

Kontakt

Prof. Dr. Helmut Dosch

Forschungsbereichskoordinator Materie

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Notkestraße 85
22607 Hamburg

Telefon: +49 40 8998-2408
Fax: +49 40 8998-4304
angelika.lorenzen (at) desy.de
http://www.desy.de


Dr. Ilja Bohnet

Forschungsbereichsbeauftragter Materie

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-68
ilja.bohnet (at) helmholtz.de


16.01.2017