Eigenforschungsthemen

Die Forschung der Wissenschaftler an den Helmholtz-Zentren umfasst die wichtigsten wissenschaftlichen und technologischen Herausforderungen der Arbeit mit Photonen, Neutronen und Ionen. Durch diese Eigenforschung werden die Methoden, Instrumentierung und die Integration der Techniken vorangetrieben. PNI-Methoden decken die vielfältigen Bedürfnisse der Nutzer ab, wozu verschiedenste Fachgebiete und sich neu entwickelnde Disziplinen gehören. Dafür sind neue, spezialisierte Ausrüstung, Präparationstechniken und Labor-Infrastruktur essentiell. Die eigene Forschung der Helmholtz-Zentren ist darum die Voraussetzung zur Identifizierung der Nutzer-Bedürfnisse. Die beschriebenen Aktivitäten haben einen starken integrativen Effekt, denn sie führen viele Bereiche zusammen: Nutzereinrichtungen der Zentren und Universitäten, Nutzereinrichtungen der Zentren untereinander, Forschung und Anwendung, Spezialisten und Einsteiger, komplementäre Techniken, sowie Ausbildungs- und Weiterbildungsaktivitäten von Zentren und Universitäten.

Atome, Moleküle und Plasmen

Für wichtige grundlegende Fragen der Atom- Molekül- und Plasmaphysik bieten die PNI-Großgeräte einmalige experimentelle Möglichkeiten und hochmoderne Instrumentierung. Gute Beispiele sind:

  • Versuche zu quantenelektrodynamischen Effekten in starken Feldern mit Hilfe von hochgeladenen Schwerionen in Ringen und Fallen
  • die Simulation des Zentrums eines Sterns durch ein Plasma, das von einem Ionenstrahl erzeugt wird oder
  • die Beobachtung der Femtosekundendynamik von Strukturänderungen in Molekülen und von elektronischen Übergängen mit Hilfe der ultrakurzen Pulse eines Freie-Elektronen-Lasers.

Magnetismus und hochkorrelierte Elektronensysteme

Magnetismus und hochkorrelierte Elektronensysteme sind ein Kernbereich der Forschung mit Photonen und Neutronen. Durch die Aktivitäten in diesen Bereichen sind die PNI-Großgeräte führend in wichtigen Bereichen. Dazu gehören z.B. die Polarimetrie und Larmor Labelling mit Neutronen, höchste Magnetfelder für die Neutronenstreuung weltweit und die Untersuchung von komplexen Multikomponentensystemen mit Neutronen, Photonen und speziellen Labormethoden. Wichtig ist auch die Untersuchung von Magnetismus an Oberflächen, Grenzflächen und Nanopartikeln für ein tieferes Verständnis der Funktion von magnetischen Materialien. Neue experimentelle Techniken im Femto-Sekundenbereich eröffnen neue Forschungsmöglichkeiten.

Werkstoffe

Der globale Bedarf an Energie und Rohstoffen steigt schnell an, während gleichzeitig die Resourcen immer knapper werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Schonung von Resourcen und Umwelt ist die Entwicklung von leichten und multifunktionellen Materialien. Die PNI-Materialforschung entwickelt oder verbessert existierende oder neue Materialien and deren Herstellung. Außerdem soll ihre Anwendung vorangebracht werden. Verschiedene Aspekte von festen und flüssigen Metallen werden untersucht, um grundlegende Fragen der Materialforschung zu erhellen. Die einzigartigen experimentellen Techniken, die im PNI-Programm entwickelt werden, treiben die Forschung zur Mikrostruktur von Materialien voran, die mit anderen Methoden nicht möglich wäre.

Mikro- und Nano-Wissenschaften und -Technologie

Das Strukturieren und Bearbeiten von Materie auf ultra-kleinen Längenskalen eröffnet Anwendungen, die weit über herkömmliche Technologien hinausreichen: die Kontrolle und Manipulation von Atomen, Beobachtung und Simulation von kollektiven Phänomenen, die Behandlung von komplexen Materialien, und die Ausweitung von Mikro-Systemen von Atomen bis zu Größenordnungen unseren täglichen Lebens. Für die Optimierung der Nano- und Mikrofabrikation wird die Kombination von Herstellung und Analyse immer wichtiger. Besonders im Vordergrund stehen zerstörungsfreie und in-situ-Techniken, Experimente unter relevanten Prozessbedingungen, Methoden zur Korrelation von Struktur und Funktion sowie das Konfektionieren von neuen Materialien und Geräten auf der Nanometerskala.

Weiche Materie und Lebenswissenschaften

Weiche Materie und Lebenswissenschaften sind eine Schnittstelle von Physik, Chemie und Biologie, wo neue und faszinierende Forschungsbereiche entstehen und interdisziplinäre Ansätze benötigt werden. PNI stellt grundlegende Forschungswerkzeuge für Weiche Materie und Lebenswissenschaften zur Verfügung. Dies ermöglicht Einsicht in Polymere und Nanokomposite, Kolloide und Mikroemulsionen, Zellkomponenten und Biomaterialien. Besondere Herausforderungen an die hoch entwickelte PNI-Infrastruktur stellen Fragestellungen wie die langsame Dynamik in Polymerschmelzen und Kolloidgläsern, die funktionelle Dynamik von Biomolekülen, die Konfektionierung von Biomolekülen oder in-situ Strukturbestimmung dar.

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Kontakt

Prof. Dr. Matthias Ballauff

Leiter des Instituts für Weiche Materie und Funktionale Materialien

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Hahn-Meitner-Platz 1
14109 Berlin


Telefon: 030-8062-43071

matthias.ballauff(at)helmholtz-berlin.de