Das Programm „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. Zu diesen Großgeräten gehören die Photonen-, Neutronen-, Ionen- und Hochfeld-Anlagen mit den Kürzeln ANKA, BER II, BESSY II, ELBE, FLASH, GEMS, HLD, IBC, JCNS und PETRA III sowie internationale Einrichtungen mit Helmholtz-Beteiligung wie der European XFEL und die geplanten Anlagen FAIR und ESS. Inhaltlich berührt die Forschung des Programms Themen wie Magnetismus und Supraleitung, Materialuntersuchungen für Energie-, Transport- und Informationstechnologien, bis hin zur Fragen der Nanowissenschaften, der Gesundheit und der Lebenswissenschaften und der Untersuchung extremer Zustände von Materie. Sie stellt sich damit den großen Herausforderungen der modernen Gesellschaft. Durch die systematische Nutzung der Großgeräte ergänzt die Forschung in MML die Arbeit in anderen Helmholtz-Forschungsfeldern, mit denen sie eng abgestimmt ist.

Was ist das Ziel?

Die im Programm betriebenen wissenschaftlichen Großgeräte stellen Sondenteilchen wie Photonen, Neutronen und Ionen sowie hohe elektromagnetische Felder mit oft beispielloser Brillanz, Teilchenflüssen oder Strahlintensität für eine internationale Nutzerschaft zur Verfügung. Die Sondenteilchen dienen als Projektile für Streuexperimente an unterschiedlichsten Untersuchungsgegenständen. Ziel ist es, die wissenschaftlichen Großgeräte optimal für die Forscher aus Wissenschaft und Industrie anzupassen und den größten Nutzen aus den Anlagen zu ziehen.

Was tut Helmholtz, um dieses Ziel zu erreichen?

Ein besonderes Merkmal des Programms MML ist der starke Fokus auf wissenschaftliche Großgeräte, die etwa 80 Prozent der Ressourcen binden. Die Mehrzahl dieser Forschungsinfrastrukturen werden mehrheitlich von externen Nutzern (Universitäten, dritte Institutionen, internationale Partnern, der Industrie usw.) in Anspruch genommen. Die Photonen-, Neutronen-, Ionen-, und Hochfeld-Anlagen der Helmholtz-Gemeinschaft sind auf die folgenden vier sogenannten Facility Topics verteilt:

•    Research on matter with brilliant light sources mit den Anlagen ANKA, BESSY II, FLASH , GEMS-P, PETRA III und dem Beitrag zum European XFEL,
•    Neutrons for research on condensed matter mit den Anlagen BER II, GEMS-N and JCNS und dem Beitrag zur Europäischen Spallationsquelle ESS,
•    Physics and materials science with ion beams mit den Anlagen IBC und SIS/ESR/HITRAP bei GSI sowie den Beschleunigeranlagen für FAIR
•    Research at highest electromagnetic fields mit den Anlagen ELBE und HLD.

Für den Aufbau und Betrieb von wissenschaftlichen Großgeräten und Forschungsinfrastrukturen, inklusive der Experimente für die wissenschaftliche Nutzung und die Nutzerbetreuung, ist es notwendig, dass die Helmholtz-Forscher intensiv in die Forschung eingebunden sind. Daher werden ca. 20 Prozent der Ressourcen des Programms für die In-house-Forschung (also die Eigenforschung) an den Großgeräten eingesetzt, oft in enger Kooperation mit anderen Forschungsbereichen der Helmholtz-Gemeinschaft. Die Forscher der beteiligten Helmholtz-Zentren arbeiten dabei eng mit Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie zusammen. In allen Fällen ist die Eigenforschung intensiv mit der Nutzung der MML-Forschungsinfrastrukturen verbunden. Dazu wurde in dem Programm MML neben den vier sogenannten Facility Topics eine Organisationsstruktur für die Eigenforschung - “In-house research on structure, dynamics and function of matter at large scale facilities” - mit fünf Forschungsthemen (engl.: „Research Themes“) eingerichtet:

Im Forschungsthema Extreme states of matter: From cold ions to hot plasmas, werden fundamentale Fragen bezüglich des Verhaltens von Materie in starken oder extremen Feldern untersucht. Auch die Dynamiken von strukturellen Änderungen in (Bio-) Molekülen, die sich im Femtosekunden-Bereich abspielen, werden beobachtet.

Im Forschungsthema Quantum condensed matter: Magnetism, superconductivity and beyond geht es um das Verständnis und das Design neuartiger, komplexer korrelierter Materialien, wie Supraleitern und magnetischen Materialien, die in der modernen Informations- und Energietechnologie eine große Rolle spielen.

Das Forschungsthema Materials and processes for energy and transport technologies soll dazu beitragen, die Energieproduktion künftig nachhaltig zu gestalten. Darüber hinaus sind völlig neue Ansätze im Bereich der Synthese, Bearbeitung und Charakterisierung von Materialien mit neuartigen in situ und in operando Probenumgebungen unter Nutzung der drei Sonden Photonen, Neutronen und Ionen zu erwarten.

Das Thema Nanoscience and materials for information technologies widmet sich der Spitzenforschung im Bereich der Methoden, Materialien und Prozesse für die Untersuchung dynamischer und Übergangsphänomene bei ultra-kurzen Zeit- und Längenskalen. Sie sind höchst relevant für das Design von Materialien auf der Nano-Skala, z.B. in der Informationstechnologie.

Größere und komplexere Systeme spielen die Hauptrolle im Forschungsthema Soft matter, health and life sciences. Der Fokus liegt in den Bereichen funktionelle Materialien, Polymerfilme, komplexe Lösungen und Kolloid-Systeme (“Soft Matter”-Teil) sowie auf biologischen Objekten wie beispielsweise bei biologischen Makromolekülen, Biomembranen, sub-zellulären Komponenten bis hin zu kleinen Organismen (“Health and Life Sciences”-Teil).

Beispiele aus der Forschung

Mithilfe modernster Strahlungsquellen werden im Programm MML Strukturen, dynamische Vorgänge und Funktionen von Materie und Materialien untersucht. Forschungsschwerpunkte sind zum Beispiel Übergangszustände in Feststoffen, Molekülen und biologischen Systemen, die Untersuchung komplexer Materie und das Design maßgeschneiderter intelligenter Funktionsmaterialien sowie neuer Materialien für den Energiesektor, Transportsysteme und Informationstechnologien. Ein weiteres Ziel ist es, den molekularen Aufbau von Wirkstoffen und deren Eigenschaften zu verbessern.



Beteiligte Helmholtz-Zentren:

Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY
Forschungszentrum Jülich
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung
Karlsruher Institut für Technologie

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Kontakt

    • Prof. Dr. Thomas Stöhlker
    • Programmsprecher From Matter to Materials and Life
      GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung