In der molekularen Küche für die Innovationen von morgen - Das Forschungsprogramm „Von Materie zu Materialien und Leben“

Was ist das Ziel?

Moderne Werkstoffe und Materialien bestimmen unseren Alltag: Metalle sind für den Bau von Autos, Schiffen und Flugzeugen unverzichtbar. Halbleiter fungieren als Basis für die Elektronik. Und Kunststoffe finden sich in beeindruckender Vielfalt fast überall. Um noch leistungsfähigere, ressourcen- und umweltschonendere Materialen zu entwickeln, wird eines immer wichtiger: Ein tiefes Verständnis darüber, wie ein Stoff im Detail aufgebaut ist und wie er sich auf der Ebene von Atomen und Molekülen verhält. Ähnlich ist es in der Medizin und der Biotechnologie: Um neue Medikamente zu entwickeln, müssen wir die Funktion der elementaren Lebensbausteine bis ins molekulare Geschehen hinein verstehen: Wie baut sich ein Enzym aus Atomen auf, wie genau spielt es mit anderen Biomolekülen zusammen? Und wie reagieren Biomoleküle auf äußere Einflüsse, etwa auf Strahlung, Zellgifte oder die Infektion durch ein Virus?

Was tut Helmholtz, um das Ziel zu erreichen?

Das Helmholtz-Forschungsprogramm „Von Materie zu Materialien und Leben“ erkundet sowohl die genaue Struktur als auch das exakte Verhalten von Zukunftsmaterialien und aussichtsreichen Biomolekülen – und legt damit den Grundstein für künftige Innovationen. Außerdem widmet es sich grundlegenden Problemen: Unter anderem untersuchen die Fachleute Materieproben, die Extrembedingungen ausgesetzt sind, wie sie sonst nur im Inneren von Sternen und Planeten herrschen. Oder sie beschießen Materie mit extrem intensiven Laserstrahlen und analysieren deren Verhalten. Das Verständnis von exotischen Phänomenen ermöglicht letzten Endes die ganz praktische Nutzung, wie zum Beispiel die Schwerionenphysik eine Grundlage für neue Formen der Krebstherapie bildet.

Beispiele aus der Forschung

Um die gesamte Bandbreite der Fragestellungen zu bearbeiten, betreibt Helmholtz eine ganze Reihe von wissenschaftlichen Großgeräten: Speicherringe und Röntgenlaser erzeugen intensive Röntgenblitze. Sie ermöglichen es, die unterschiedlichsten Proben extrem genau zu analysieren – neuartige Halbleiter, Proteine hochinfektiöser Viren oder Leichtbau-Werkstoffe der nächsten Generation. Zudem erlauben es die Röntgenblitze, ultraschnelle Prozesse zu verfolgen und so die Dynamik chemischer Reaktionen regelrecht zu filmen. Andere Anlagen erzeugen Neutronen, mit denen sich Magnetmaterialien, Batterien und komplette Motorblöcke buchstäblich durchleuchten lassen. Hinzu kommen Großlaser, Ionenbeschleuniger, Terahertz-Quellen sowie Labore, die extrem starke Magnetfelder erzeugen – allesamt Großgeräte, die weltweit zu den Top-Anlagen gehören.

 


Factsheet

Zentrale Forschungsfragen:

Woraus bestehen neuartige Materialien, wie lassen sie sich zu Hightech-Werkstoffen machen?

Wie könnte die Elektronik der Zukunft aussehen?

Wie sind die Atome in einem Protein angeordnet, und wie lässt aus dieser Erkenntnis ein neuer Wirkstoff maßschneidern?

Wie läuft eine Virusinfektion ab, wie lässt sie sich bekämpfen?

Was spielt sich bei einer Katalyse ab, wie lässt sie sich optimieren?

Wie detailliert lässt sich eine chemische Reaktion auf molekularer Ebene filmen?

Welche Zustände nimmt Materie im Inneren von Sternen und Planeten an?

Wie reagieren Materialien auf extreme Magnetfelder?

 

Drei Programmthemen:

Dynamik, Mechanismen und Steuerung von Materie

komplexe und funktionale Materialien, Quantenmaterialien

Struktur und Funktion der Bausteine des Lebens

 

Forschungsinfrastrukturen:

European XFEL, Hamburg

Röntgenquellen Petra III und FLASH, Hamburg

Röntgenquelle BESSY II, Berlin

Röntgenquelle ESRF, Grenoble

Neutronenquelle MZL, Garching

Neutronenquelle ILL, Grenoble

Ionenstrahlzentrum (IBC), Dresden-Rossendorf

FAIR, Darmstadt

Hochfeld-Magnetlabor (HLD), Dresden-Rossendorf

Laser PHELIX, Darmstadt

Laser DRACO und PENELOPE, Dresden-Rossendorf

 

Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsches Elektronen‐Synchrotron (DESY)

Forschungszentrum Jülich (FZJ)

GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Helmholtz‐Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Helmholtz‐Zentrum Dresden‐Rossendorf (HZDR)

Helmholtz‐Zentrum Geesthacht – Zentrum für Material‐ und Küstenforschung (HZG)

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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