02.05.2022

Präziser Blick auf innere Grenzflächen

Wissenschaftsrat empfiehlt Forschungsbau für Materialwissenschaften in Marburg.

In den kommenden Jahren entsteht auf dem Campus Lahnberge der Philipps-Universität Marburg ein neuer Forschungsbau für Transmissions­elektronen­mikroskopie (TEM) zur Erforschung neuartiger Materialien. Dafür hat sich jetzt der Wissenschaftsrat ausgesprochen. Die endgültige Entscheidung fällt in der Gemeinsamen Wissenschafts­konferenz (GWK) Anfang Juli 2022. Die Empfehlung des Wissenschafts­rats gilt aber als wegweisendes Zeichen für den Bau. ATEMMA – Advanced Transmission Electron Microscopy, Marburg – soll im Jahr 2026 in Betrieb gehen. Die Gesamtkosten belaufen sich nach derzeitigem Stand auf etwa 10,75 Millionen Euro. Auf das Gebäude entfallen davon etwa 4,75 Millionen Euro, auf das Raster­transmissions­elektronen­mikroskop etwa sechs Millionen Euro. 

Abb.: Elektronen­mikroskopie liefert wichtige Erkenntnisse bei der Entwicklung...
Abb.: Elektronen­mikroskopie liefert wichtige Erkenntnisse bei der Entwicklung neuer Materialien für Kommunikations- und Energie­technologien. (Bild: J. Hosan)

„Der Bau von ATEMMA stärkt den Schwerpunkt Material­wissenschaften an der Universität Marburg und fördert die inter- und trans­disziplinäre Zusammenarbeit der beiden mittelhessischen Univer­sitäten bei der Erforschung von Themen, die für die Zukunft essenziell sind. Ich freue mich sehr, dass Kerstin Volz und ihr Team mit ATEMMA erfolgreich waren“, sagt der Marburger Universitäts­präsident Thomas Nauss. Die Entwicklung neuartiger Materialien erfordert ein quantitatives Struktur­verständnis der zum Einsatz kommenden Stoffe. Das lässt sich mit Hilfe eines Transmissions­elektronen­mikroskops etablieren. „Wir betreiben Grundlagen­forschung zur Wechselwirkung von Elektronen und Materialien. Nur, wenn wir die Methoden­entwicklung und das Verständnis von Materialien zusammenbringen, können wir die Forschung auch in der Anwendung einsetzen“, sagt Kerstin Volz.

„In der Corona-Pandemie wurde deutlich, wie wichtig eine schnelle Datenübertragung in der digitalen Kommunikation und wie groß dabei der Verbesserungs­bedarf ist. Auch der Klimawandel erfordert bei der Gewinnung und der Speicherung von Energie radikale techno­logische Fortschritte für eine nachhaltige Gestaltung unserer Zukunft“, erklärt Volz. In zahlreichen Arbeits­gruppen der Universität Marburg und in Kooperationen mit anderen Hochschulen, vor allem mit der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU), wird zur Charakterisierung von Materialien und inneren Grenzflächen geforscht. „Die TEM nimmt eine Schlüssel­rolle bei der Material­charakterisierung ein, denn sie ermöglicht es, die Struktur von Materialien bis hin zum atomaren Maßstab zu untersuchen.“

Für die Kommunikations­technologie sollen etwa Materialien für effizientere Laser für neue Wellenlängenbereiche, Stoffe für neuartige, zum Beispiel ultraschnelle oder flexible Transistorkonzepte, aber auch Datenspeicher untersucht werden. Im Bereich Energie­technologien stehen Konzepte für hocheffiziente Solarzellen und für die Erzeugung von grünem Wasserstoff zur ressourcen­schonenden Energie­erzeugung ebenso im Mittelpunkt wie die Entwicklung von leistungsfähigen, kostengünstigen und ressourcen­verträglichen elektro­chemischen Energiespeichern. Ein besonderer Forschungsfokus liegt auf dem Einfluss innerer Grenzflächen auf die Struktur und Eigenschaften dieser Materialien, um neue Erkenntnisse über optische Anregungen entlang der Grenzflächen oder über diese hinweg zu gewinnen. Hier können die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler auf ihre bereits gewonnenen Erkenntnisse im Sonder­forschungsbereich 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ aufbauen.

Für alle Forschungsthemen ist die methodische Weiter­entwicklung der TEM wichtig, denn sie bildet die Voraussetzung für entscheidende Innovationen im Materialbereich und eröffnet die Möglichkeit, weitreichende Informationen möglichst präzise und für unter­schiedlichste Materialien zu erlangen. ATEMMA soll von etwa zwanzig Arbeitsgruppen aus Marburg und Mainz genutzt werden. Im gemeinsamen Forschungs­schwerpunkt „Material, Molekül, Energie“ am Forschungscampus Mittelhessen (FCMH) forschen die AGs zusammen in mehreren koor­dinierten Verbünden und zahlreichen Projekten auf internationalem Spitzenniveau. ATEMMA wird Gruppen aus Physik, Chemie, Material­wissenschaften und Informatik zusammenbringen, die zum einen direkt am Material­fortschritt arbeiten und zum anderen TEM als Methode weiter voranbringen und für die Auswertung von Bildern auch KI-gestützte Methoden einsetzen.

Das neue Raster­transmissions­elektronen­mikroskop wird eine exzellente Orts-, Energie- und Zeitauflösung besitzen, sowie eine hohe Flexibilität bei der Wahl der Beschleunigungs­spannung. Kombiniert mit extrem schnellen und empfindlichen Kameras können so neue Methoden entwickelt werden, die eine deutlich besseren Einblick in Materialien als bisher ermöglichen. Der Forschungsbau ATEMMA soll als Anbau mit direktem Zugang von den bestehenden Laboren und Büroräumen des WZMWs am Campus Lahnberge entstehen. Die Gebäude­hülle für das sehr empfindliche und komplexe Mikroskop ist notwendig, um Vibrationen zu minimieren und Magnetfelder abzuschirmen.

U. Marburg / JOL

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