Licht und Materie

03.05.2012

Chemiker und Physiker arbeiten in einer neuen Forschergruppe an der Universität Würzburg zusammen. Ziel ihrer Arbeit soll es sein, die Herstellung neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu ermöglichen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt.

Das Logo der neuen Forschergruppe. Es symbolisiert das Forschungsinteresse, das von molekularen Bausteinen (untere Kugel) zu molekularen Aggregaten (oben links) reicht. Von Interesse sind dabei die Wechselwirkungen zwischen den molekularen Bausteinen eines Aggregats, symbolisiert durch die rote „Feder“ oben rechts. Untersucht werden die Dynamik und damit Funktion dieser Materialsysteme mittels Licht (Lasersymbol in der Mitte), insbesondere mit ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich.

Sieht so die Energiequelle der Zukunft aus? Speziell synthetisierte Moleküle spalten mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in seine Bausteine Wasserstoff und Sauerstoff. Was in der Natur unter dem Stichwort „Photosynthese“ läuft, soll in Zukunft im Labor die Welt aus der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen befreien. Die künstliche Photosynthese soll die Menschheit mit einem schier unerschöpflichen und sauberen Energieträger versorgen.

Der Traum von der künstlichen Photosynthese als Energielieferanten im großen Maßstab ist von der Verwirklichung allerdings noch weit entfernt. Noch fehlt es an dem notwendigen Wissen über die grundlegenden Vorgänge im Inneren der potenziellen Wasserstoffproduzenten. Eine neue Forschergruppe an der Universität Würzburg arbeitet jedoch ab sofort daran; in ihr sind Wissenschaftler aus verschiedenen Teildisziplinen der Physik und der Chemie vertreten. Sprecher ist Professor Tobias Brixner, Leiter des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG unterstützt das Projekt in den kommenden drei Jahren mit rund 2,3 Millionen Euro.

Neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften

Molekulare Aggregate und deren Reaktionen auf Licht stehen im Mittelpunkt des Interesses der Würzburger Forschergruppe. „Wir untersuchen die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie mit dem Ziel, die dynamischen Prozesse und optische Phänomene zu verstehen und zu steuern“, sagt Brixner. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen die Wissenschaftler in die Lage versetzen, neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften maßzuschneidern.

Diese Materialien sollen natürlich nicht nur der künstlichen Photosynthese zum Durchbruch verhelfen. Extrem sparsame Lichtquellen, abhörsichere Verschlüsselungstechnik, ultraschnelle Quantencomputer, günstige Photovoltaik-Elemente, Nano-Bauteile, die sich selbst reparieren können: All das ist denkbar, wenn erst die grundlegenden Prozesse in den molekularen Aggregaten aufgeklärt und verstanden sind.

Forschung an molekularen Aggregaten

Molekulare Aggregate: Darunter verstehen Chemiker die kleinsten Bausteine in makroskopischen Systemen, wie Flüssigkeiten, Lösungen oder Kristallen. In ihnen lagern sich Moleküle in bestimmten Strukturen zusammen und sind mal stärker, mal schwächer untereinander verbunden. Die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bausteinen sind entscheidend für das Geschehen innerhalb der Aggregate, wenn Licht auf sie trifft.

„Die Besonderheit und damit der Reiz molekularer Aggregate im Vergleich zu beispielsweise anorganischen Festkörpern liegt darin, dass sich die Eigenschaften der molekularen ‚Grundbausteine‘ gezielt variieren lassen“, erklärt Brixner. Veränderungen auf der mikroskopischen Ebene ziehen dann auch Veränderungen im makroskopischen Maßstab nach sich. Allerdings liegen die genauen Vorgänge noch im Dunklen „In der Vergangenheit wurden zwar unzählige Moleküle ausführlich optisch untersucht, eine systematische Variation von Aggregaten fand aber in der Regel nicht statt“, so Brixner. In vielen Fällen könne man deshalb mit dem aktuellen Wissen die Eigenschaften eines komplexen Systems nicht aus den Eigenschaften der zugrundeliegenden Molekülbausteine vorhersagen.

Besseres Verständnis der Vorgänge im Inneren

An diesem Punkt setzt die Arbeit der Würzburger Forschergruppe an: Sie wird in den kommenden drei Jahren die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie in molekularen Aggregaten intensiv untersuchen. „Wenn man die fundamentalen Regeln der Wechselwirkungen beherrscht, sollte eine neue Generation von Materialien machbar sein, die über gegenwärtige hinausgehen“, so Brixner.

Die Würzburger Forschergruppe besitzt das für diese Forschung notwendige Wissen und die entsprechende Technik. Ihre Mitglieder stammen aus der theoretischen, physikalischen und organischen Chemie und aus der Experimentalphysik; sie verfügen über die notwendige Expertise für alle erforderlichen Untersuchungsmethoden und über die jeweiligen Geräte – angefangen bei der Spektroskopie bis zur Photoleitfähigkeitsmessung. Die Bündelung der vorhandenen experimentellen und theoretischen Ressourcen ermögliche eine „einzigartige kooperative Forschung im Bereich der Licht-Materie-Wechselwirkung“.

An der Forschergruppe beteiligt sind aus dem Bereich der Physikalischen und Theoretischen Chemie:

Prof. Dr. Tobias Brixner
Prof. Dr. Volker Engel
Prof. Dr. Bernd Engels

aus dem Bereich der Organischen Chemie:

Prof. Dr. Christoph Lambert
Prof. Dr. Frank Würthner

aus dem Bereich der Experimentalphysik:

Prof. Dr. Vladimir Dyakonov
PD Dr. Carsten Deibel
Prof. Dr. Jens Pflaum

sowie als assoziierte Nachwuchswissenschaftler:

Dr. Florian Beuerle
Dr. Gustavo Fernández
Dr. Patrick Nürnberger

Insgesamt hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Einrichtung von sechs neuen Forschergruppen und einer Klinischen Forschergruppe beschlossen. Die Forschungsverbünde sollen Wissenschaftlern die Möglichkeit bieten, sich „aktuellen und drängenden Fragen in ihren Fächern zu widmen und innovative Arbeitsrichtungen zu etablieren“, wie es in einer Pressemitteilung der DFG heißt. Aktuell fördert die Einrichtung 191 Forschergruppen.