Nanowissenschaften

Forschung

Unter dem Dach von CENIDE forschen rund 400 Wissenschaftler*innen, die in über 65 Arbeitsgruppen organisiert sind, an verschiedenen Themen rund um die Nanotechnologie. Die nachfolgenden Highlights der Jahre 2014 und 2015 geben einen Einblick in die Forschungsschwerpunkte innerhalb von CENIDE:

Dynamische Prozesse in Festkörpern

Die Dynamik elementarer Anregungen in Festkörpern, an Oberflächen oder in Nanopartikeln oder -strukturen wird in CENIDE mit höchster Zeitauflösung untersucht. Die Forscher*innen verwenden dabei extrem kurze Laserpulse mit Pulsdauern im Femtosekundenbereich, um die dadurch ausgelöste Dynamik der Elektronen und des Kristallgitters mittels Spektroskopie, Beugung und Mikroskopie zu verfolgen. Sie verwenden dabei mehrere weltweit einmalige experimentelle Methoden, mit denen Erkenntnisse über grundlegende Prozesse bei der Energieumwandlung und beim Energietransport auf der Nanoskala gewonnen werden.

In dem Schwerpunktprogramm 1391 „Ultrafast Nanooptics“ dreht sich zum Beispiel alles um die Wechselwirkung breitbandiger kohärenter Anregungen mit Nanostrukturen. Hierbei werden die kohärente Kontrolle, Propagation, nichtlineare Kopplung und Nanoantennen genau unter die „Linse“ genommen: An der UDE werden mittels nichtlinearer Photoemissionsmikroskopie die zeitliche Dynamik und die nichtlineare Wechselwirkung von Plasmon-Polaritonwellen mit selbstorganisierten Silber- bzw. Goldinseln untersucht. Durch das schnellste Mikroskop der Welt können die Forschenden beobachten, wie sich eine Plasmonwelle mit 98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit in einer nur 1/100 mm großen Goldinsel ausbreitet, reflektiert und fokussiert wird.

Gasphasensynthese

Die Synthese von Nanopartikeln in der Gasphase ermöglicht die Herstellung von ultrareinen maßgeschneiderten Materialien in skalierbaren Verfahren. CENIDE untersucht Gasphasenprozesse umfassend und hat eine breite Expertise in grundlegenden Experimenten, Entwicklung spezifischer Messtechnologie, Modellierung und Simulation sowie der Hochskalierung und der Synthese von Nanopartikeln im anwendungsrelevanten Maßstab.

Die neue DFG-Forschergruppe 2284 „Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel“ setzt hier seit 2015 an: Sie wollen herausfinden, nach welchen Regeln die hoch spezifische Herstellung sicher gelingt. Zunächst sollen isolierte Nanopartikel entstehen, die in einem zweiten Schritt zu komplexeren Strukturen zusammengefügt werden. Diese sollen zuverlässig über die Eigenschaften verfügen, die für das jeweilige Anwendungsgebiet relevant sind. Die DFG stellt 2,6 Mio. Euro für die erste dreijährige Projektphase zur Verfügung, Sprecher ist der Leibniz-Preisträger Prof. Christof Schulz.

Magnetismus

Beim Magnetismus stehen bei CENIDE die Herstellung und die hochspezifische Charakterisierung neuer Materialien und Hybriden von mikroskopischen bis zu makroskopischen Längenskalen sowie die Ab-initio-Modellierung im Fokus. Sowohl ultradünne metallische und oxidische Filme, Nanopartikel als auch molekulare Nanomagnete spielen als Bausteine für moderne Hybridsysteme eine wichtige Rolle.

Mehr als eine Million Euro fließen zum Beispiel in Forschungsprojekte an der UDE, um die Nutzung von Festkörpern zur Kühlung zu untersuchen. Im DFG-Schwerpunktprogramm 1599 „Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling“ waren die Physiker*innen und Ingenieurwissenschaftler*innen von CENIDE 2015 sehr erfolgreich mit Anträgen für die zweite Förderperiode. Sie alle eint die Arbeit an einem besonderen Thema: Neuartige Materialien für Kühlschränke und Klimaanlagen. Die bisherigen Systeme schädigen die Umwelt oder verbrauchen viel Strom. Alternativen bieten magnetische oder elektrisch polarisierte Festkörper, sogenannte ferroische Materialien. Klimaschädliche oder brennbare Gase werden hier nicht benötigt, und die Systeme sind effektiver. 

NanoBioMaterialien

Biomaterialien sind natürliche oder künstliche Substanzen in Kontakt mit biologischen Systemen, beispielsweise im spannenden Gebiet der NanoBioPhotonik. In CENIDE wird diese Interaktion an Materialien, Oberflächen, Partikeln und Makromolekülen untersucht. Der Forschungsschwerpunkt profitiert von den Expertisen in den Material- und Biowissenschaften (Kolloide, Makromoleküle, Proteine, Imaging) und den chemisch bzw. physikalisch ausgerichteten Wissenschaften (Synthese, Magnetismus, Photonik).

Feierlich eröffnet wurde 2014 beispielsweise der neue Sonderforschungsbereich 1093 „Supramolekulare Chemie an Proteinen“, der von der DFG mit rund sieben Mio. Euro gefördert wird. Fünf CENIDE-Mitglieder sind als Projektleiter beteiligt. Hier werden mit Methoden der supramolekularen Chemie gezielt Proteinfunktionen und biologische Fragestellungen adressiert. Interdisziplinär wird Hand in Hand gearbeitet: Zunächst werden in der Chemie neue Greifwerkzeuge für Eiweißmoleküle konstruiert. Mit ihrer Hilfe untersuchen die Biologen dann biochemische Mechanismen. Die Mediziner wiederum leiten daraus neue Ansatzpunkte zur Diagnose und Bekämpfung von Krankheiten ab. Nutzbringend ist die verfügbare, umfangreiche Palette an Charakterisierungsmethoden wie der modernen instrumentellen Nanopartikel-Kolloidanalytik (AUZ, DLS, NTA, ADC, AFFF), kombiniert mit dem DFG-Gerätezentrum ICAN „Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale” für Oberflächenanalytik von Festkörpermaterialien.

NanoEnergieTechnik

Hierbei befasst sich CENIDE mit der Frage, wie Nanomaterialien vorteilhaft für die Energietechnik, insbesondere bei der Energieumwandlung und -speicherung, ausgenutzt werden können. Dafür steht das hochmoderne Forschungsgebäude NanoEnergie-TechnikZentrum (NETZ) mit rund 4.000 qm Fläche zur Verfügung. Basis hierfür ist eine Anlage zur Gasphasensynthese von Nanomaterialien im anwendungsrelevanten Maßstab. Wesentliche Anwendungsgebiete sind Thermoelektrik, Katalyse, Photovoltaik, Lithium-Ionen-Batterien und Lichtemitter (LEDs).

Für die Entwicklung eines thermoelektrischen Generators aus umweltfreundlichem Material, der Wärme in elektrische Energie umwandeln kann, erhielt Dr. Gabi Schierning 2014 den Innovationspreis NRW in der Kategorie „Nachwuchs“. Zusammen mit anderen UDE-Wissenschaftler*innen entwickelte ihr Team einen thermoelektrischen Generator, der aus nanostrukturiertem Silizium besteht, statt aus bisherigen Materialien wie Tellur oder Blei, die selten und teuer oder umweltschädlich sind.