Physik Journal 4 / 2013

Meinen ersten Kontakt mit Südafrika hatte ich 2004. Damals unterbrach ich mein Studium für ein Semester, um als Lehrer in Township-Schulen zu arbeiten, zunächst in Grahamstown im Südosten des Landes und später in Kapstadt. Dieser Einstieg vermittelte mir einen ungewöhnlichen und intensiven Zugang zur Regenbogennation und ihren Menschen, wie er sich Touristen wohl kaum eröffnen dürfte. Ich bewegte mich in einem Schmelztiegel der Kulturen, umgeben von der eindrucksvollen Natur der Kap-Region. Trotz aller aus den Medien bekannten Problemen mit Kriminalität, Armut und Korruption erlebte ich ein Land in Aufbruchsstimmung nach Jahrzehnten der Apartheid, mit unvorstellbar herzlichen und inspirierenden Menschen mit allen erdenklichen kulturellen, sozialen und religiösen Hintergründen. Als junger Student empfand ich dies als eine stimulierende Umgebung. Innerhalb weniger Monate fühlte ich mich dort zu Hause. In dieser Zeit lernte ich das Laser Research Institute (LRI) an der Universität Stellenbosch kennen und war beeindruckt von der familiären Atmosphäre des Instituts, den Forschungsprojekten und der Freiheit, die ich dort bereits als junger Student in der Forschung und Lehre bekam. Ich entschied mich zu bleiben, zunächst für meine Diplomarbeit und anschließend auch für die Doktorarbeit, um neue Aktivitäten im Bereich der nicht­linearen Faseroptik und Faserlaser­entwicklung mitaufzubauen und später mitzuleiten.

Stellenbosch liegt am Fuße der Simonsberge etwa fünfzig Kilo­meter östlich von Kapstadt. Umgeben von mehreren hundert Weingütern bildet es das Zentrum des bekanntesten Weinanbaugebietes Südafrikas. Mit dem zentralen Campus der Universität hat Stellenbosch den Flair einer kleinen aber lebendigen Universitätsstadt. Ihr Erscheinungsbild ist auch heute noch durch die unverwechselbare holländische Kolonial-Architektur und großzügige Eichen-Alleen geprägt. Die Universität zählt zu den führenden Universitäten Afrikas und hat eines der stärksten Forschungsprogramme des Kontinents. In diesem Umfeld hat sich das LRI seit seiner Gründung im Jahr 2000 zu einer der beiden Hochburgen der Optik und Photonik und zu dem führenden Zentrum für Ultrakurzzeitphysik in Afrika entwickelt. Einer der Forschungsschwerpunkte liegt heute in der Untersuchung molekularer Dynamik mit Femto­sekunden-Absorptionsspektroskopie. Eine Besonderheit am LRI ist die Integration von zeitaufgelöster Elektronenbeugung in das Spektroskopiesystem. Das ermöglicht die zeitaufgelöste Untersuchung von photoinduzierten Strukturänderungen und Phasenübergängen in kristallinen Dünnschichten. Mit dem System wird sowohl grundlagenorientierte als auch angewandte Forschung betrieben. Zu den aktuellen Projekten zählen die direkte Beobachtung von Ladungsdichtewellen und periodischen Gitterschwingungen in den hochkorrelierten Elektronensys­temen der Übergangsmetalle, die Untersuchung des Ladungsträgertransports in Solarzellen oder hochaufgelöste Spektroskopie im Vakuum-Ultra­violett (VUV) mit einer eigens entwickelten durchstimmbaren schmalbandigen Lichtquelle. ...

Je weiter man in der Menschheitsgeschichte zurückgeht, umso rarer werden materielle Spuren und Hinterlassenschaften und umso zahlreicher die Fragen. Zu den ältesten Kunstwerken zählen die paläolithischen Felsmalereien der weltberühmten Höhle von Lascaux. Doch womit genau malten und zeichneten die frühen Menschen? Was verraten die verwendeten Materialien über ihre Kultur? Die Wissenschaft, die solche auf den ersten Blick unsichtbaren Aspekte sichtbar macht, heißt Archäometrie. Ihre Methoden u. a. aus Physik und Chemie kommen mehr und mehr zum Einsatz, um Kunstwerke und Kulturgüter zu erforschen, sie zu datieren oder auf ihre Authentizität zu prüfen, die verwendeten Materialien genau zu bestimmen oder Erkenntnise über Herstellungstechniken oder den Gebrauch von Objekten zu gewinnen. Ist die Herkunft der verwendeten Rohmaterialien bekannt, können Historiker daraus Rückschlüsse auf vorhandene Handels­beziehungen ziehen.

Die naturwissenschaftliche Untersuchung von Kunstwerken und Kulturgütern begann Anfang des 19. Jahrhunderts mit der Pigmentanalyse. Der deutsche Chemiker Friedrich Rathgen gründete 1888 mit dem „Chemischen Laboratorium der königlichen Museen zu Berlin“ das erste eigenständige Museumslabor. Die sich daraus entwickelnde Disziplin führte zu Untersuchungen einer großen Anzahl an Kunstobjekten mit den zur jeweiligen Zeit verfügbaren Analyseverfahren.

Besonders Ende der 1960er- und Anfang der 1970er-Jahre öffneten weltweit chemisch-physikalische Museumslabore.
Die Palette der Methoden erweiterte sich in den letzten Jahrzehnten rasch: So dienen die Verhältnisse von bestimmten Elementen oder Isotopen, spezifische Ein­schlüsse und Phasen oder morphologische Charakteristiken auf der Mikro- oder sogar Nano­-Ebene dazu, Aussagen zu treffen, die rein kunsthistorischen oder archäologischen Betrachtungsweisen unzugänglich sind. Entscheidend ist, dass die Analysemethoden schneller und empfindlicher geworden sind. Meist genügen geringe Probenmengen. Doch der wertvolle Charakter vieler Kunstwerke verbietet oft sogar eine Probenentnahme, sodass Forscher nichtinvasive Verfahren einsetzen oder entwickeln müssen. ...

Das Aufspalten von langkettigen in kürzere Kohlenwasserstoffe ist essenziell, um Erdöl in Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel umzuwandeln. Dieses „Cracken“ ist ein Beispiel dafür, wie sich Stoffe durch Trennung und katalytische Umwandlung veredeln lassen. Seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts haben sich diese und ähnliche Technologien grundlegend gewandelt dank der Verfügbarkeit nanoporöser Materialien. Aufgrund ihrer enormen inneren Oberfläche von über 1000 Quadratmetern pro Gramm bewirken diese eine sehr intensive Wechselwirkung zwischen „Gastmolekülen“ und „Wirtsystem“ und lassen sich mit passgenauen Porendurchmessern für das jeweilige Zielprodukt „maßschneidern“. So ermöglichen die räumliche Beschränkung im wohldefinierten Poren­system und katalytisch aktive Oberflächen, Erdöl besonders kostengünstig und umweltverträglich in hochwertige Kraftstoffe umzuwandeln. Allein im Bereich der Erdölveredlung liegen die damit verbundenen Einsparungen im Bereich von zehn Milliarden Euro pro Jahr weltweit. Leistungsfähigere Materialien dank neuer Synthese­wege und ein immer besseres Verständnis der Elementarprozesse sorgen für eine bis heute anhaltende stürmische Entwicklung.

Der Ertrag an veredelten Stoffen kann nie größer sein, als es die Geschwindigkeit des Stofftransports zulässt. Daher ist es gerade auch in ökonomischer Hinsicht unerlässlich, die dem Transport in solchen Materialien zugrunde liegenden Mechanismen zu erkunden und zu quantifizieren. Wirtsysteme mit wohldefinierter Porosität sind als mikrometergroße Kristallite verfügbar, die für ihren technischen Einsatz zu größeren Formkörpern verpresst werden. Durch eine geeignete Dimensionierung dieser Körper lassen sich alle äußeren Transportwiderstände hinreichend klein halten, sodass die Aufnahme und Abgabe von Stoffen an den einzelnen Kristalliten die Geschwindigkeit bestimmt. Aufgrund ihrer geringen Größe ließ sich der Stofftransport im Inneren der Kristallite über Jahrzehnte hinweg meist nur indirekt untersuchen, z. B. indem man die „makroskopische“ Massenzunahme bei Druck­erhöhung in der umgebenden Gasphase beobachtete und dabei gewisse Modellannahmen zum Mechanismus des Stofftransports berücksichtigte. ...