07.12.2023

Die Nanowelt in Superzeitlupe

Neues Spitzenprogramm für Promovierende an der Uni Regensburg bewilligt.

Wie könnte man Quantencomputer alltagstauglicher machen? Wie Photovoltaik effizienter? Wie schafft es die Natur, so effizient Licht zu sammeln und Energie in Organismen zu transportieren? Und was können wir daraus für die Technologien der Zukunft lernen? Drängende Fragen wie diese sind für die modernen Naturwissenschaften ebenso zentral wie für Innovationen in den Nano-, Bio- und Quantentechnologien. Um sie zu beantworten, muss man die elementaren Bausteine der Materie möglichst direkt beobachten. Da Elektronen, Atome und Moleküle aber ständig in Bewegung sind, reicht hierfür statische Mikroskopie oft nicht aus. Nötig sind vielmehr ultraschnelle Videos aus der Nanowelt – doch das ist ein bislang unerreichter Wunschtraum.

Abb.: Die Spitze eines ultraschnellen Rastertunnelmikroskops tastet die...
Abb.: Die Spitze eines ultraschnellen Rastertunnelmikroskops (oben links) tastet die einzelnen Atome eines Moleküls (rote und schwarze Kugeln) ab, um schnelle und winzige Bewegungen von Elektronen und Atomen in echte mikroskopische Zeitlupenfilme zu übersetzen.
Quelle: B. Baxley, PtW

Die Uni Regensburg kann ihre Spitzenposition auf diesem Forschungsgebiet jetzt weiter ausbauen, denn im November hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft beschlossen, die Promovierendenausbildung auf diesem Zukunftsthema in Regensburg mit einem eigenen Graduiertenkolleg zu fördern. Das neue Graduiertenkolleg 2905 mit dem Titel „Ultraschnelle Nanoskopie – von Einteilchendynamik zu kooperativen Prozessen” wird ab April 2024 für fünf Jahre mit insgesamt sechs Millionen Euro gefördert. Es wird im weltweit einzigartigen interdisziplinären Umfeld des neu entstehenden „Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy“ angesiedelt sein.

Aufbauend auf jüngsten Durchbrüchen wird eine radikal neue Strategie verfolgt, um die Dynamik der Materie auf der Quantenebene zu visualisieren. Mit neu entwickelten Nanovideographie-Konzepten werden Elementardynamik auf atomarer Skala und resultierende kooperative Prozesse in Systemen mit zunehmender Komplexität direkt in Ultrazeitlupenfilmen verfolgt. Dynamische Schlüsselprozesse von einzelnen Molekülen bis hin zu biomolekularen und festkörperbasierten Nanostrukturen werden durch komplementäre Methoden, wie ultraschnelle Rastertunnel-, Impuls-, Nahfeld-, Superauflösungs-, Rasterkraft- und Kryo-Elektronenmikroskopie aufgelöst. Die Promovierenden werden in enge Kooperationen zwischen Experiment und Theorie sowie zwischen Physik und Biologie eingebunden.

„Die Möglichkeit, echte Filme aus der Nanowelt aufzuzeichnen, dürfte eine ähnliche wissenschaftliche Revolution auslösen wie die Erfindung höchstauflösender Mikroskopie“, erwartet Rupert Huber, Sprecher des neuen GRK. „Unsere Zeitlupenkameras bieten den Promovierenden geradezu die Garantie, Vorgänge im Nanokosmos zu beobachten, die noch nie ein Mensch zuvor gesehen hat. In diese geheimnisvolle Quantenwelt vorzudringen, wird extrem spannend.“ Die Erkenntnisse könnten Anwendung in künftiger Nano- und Optoelektronik, in Quantentechnologien und Greentech finden. Die ganzheitliche Promovierendenausbildung eröffnet damit hervorragende Karriereperspektiven in der akademischen und industriellen Forschung.

Insgesamt werden zwölf Wissenschaftler aus dem Institut für experimentelle und angewandte Physik, dem Institut für theoretische Physik, dem Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie und dem Institut für Biophysik und physikalische Biochemie das Graduiertenkolleg leiten. Mit einem modernen interdisziplinären Ausbildungsprogramm, das auch einen mehrmonatigen Auslandsaufenthalt umfasst, werden sie den Promovierenden ermöglichen, sich im dynamischen Forschungsfeld der ultraschnellen Nanoskopie zu entfalten und internationale Sichtbarkeit zu erlangen.

U. Regensburg / RK

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