Licht- und Geistesblitze

Am Institut für Laserphysik wird die Bewegung von Molekülen in Echtzeit untersucht

"Es ist einfach phänomenal, wenn man das erste Mal zwei Atome dabei beobachten kann, wie sie miteinander verschmelzen", sagt Professor Dwayne Miller, Direktor der Max-Planck-Forschungsgruppe für strukturelle Dynamik, mit leuchtenden Augen. Zusammen mit 25 Wissenschaftlerteams aus Hamburg erforscht der Physiker die Bewegung von Molekülen in Echtzeit.

Das Projekt, das die Naturwissenschaftler im kommenden September bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) als Exzellenzcluster einreichen wollen, heißt "The Hamburg Center for Ultrafast Imaging: Structure, Dynamics and Control of Matter at the Atomic Scale".

Die Bundesexzellenzinitiative hat es sich zur Aufgabe gemacht, exzellente Forschung an deutschen Universitäten stärker zu fördern, um die Hochschulen international mit den besten Universitäten der Welt konkurrenzfähig zu machen. Die Förderung von Exzellenzclustern setzt dabei auf die Stärkung herausragender Forschungsprojekte.

"Was wir hier betreiben, ist physikalische Grundlagenforschung", erklärt Professor Klaus Sengstock, Geschäftsführender Direktor des Instituts für Laserphysik und Leiter der Forschungsgruppe "Quantum Gases and Spectroscopy". "Es geht also darum, die absoluten Grundlagen der Physik zu verstehen, vor allem aber, wie ultraschnelle Prozesse, also zum Beispiel die Bildung von Molekülen, überhaupt ablaufen."

Möglich geworden ist die Beobachtung dieser Prozesse erst durch die jahrzehntelange Entwicklung superschneller Lasersysteme, die so kurze Lichtblitze zur Verfügung stellen, dass man damit Fotos von superschnellen chemischen Reaktionen schießen kann.

"So gelingt es uns seit kurzer Zeit, Bewegungen von Molekülen in Echtzeit anzuschauen", sagt Miller, "also zum Beispiel, wie Moleküle eine chemische Bindung eingehen, aber auch, wie eine chemische Bindung wieder kaputtgehen kann."

Die Geschwindigkeit, mit der diese Prozesse ablaufen, berechnet sich in Femtosekunden, also dem Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde. "Dass wir dabei zuschauen können, gleicht einer Revolution in den Naturwissenschaften, die ähnlich der Erfindung eines Teleskops ist", sagt Miller begeistert. "Man weiß schon lange, was mit den Atomen passiert, aber wie es passiert und warum so ein Molekül kaputtgeht oder sich bildet, das ist bisher noch völlig unverstanden", fügt Sengstock hinzu.

Auch wenn es den Forschern nun zunächst einmal darum geht, noch besser zu verstehen, wie chemische Prozesse tatsächlich ablaufen, sehen Miller und Sengstock auch potenzielle Anwendungen in vielfältigen Bereichen, von der Klimaforschung bis hin zur Medizin: "Wenn man versteht, wie schnell Krebszellen andocken und wie schnell sie Reaktionen auslösen, kann daraus ein Verständnis über diese Mechanismen entstehen, mit dem es uns möglicherweise eines Tages gelingen kann, die Prozesse zu blockieren und die Krebsausbildung zu unterdrücken", sagt Sengstock. Die Chancen der Hamburger, mit ihrem Exzellenzcluster von der Deutschen Forschungsgemeinschaft positiv bewertet zu werden, stehen nicht schlecht. "Es heißt, dass unser Vorantrag sehr gut bewertet wurde", sagt Sengstock.

Insgesamt 25 Hamburger Forschungsgruppen aus der Physik und Chemie arbeiten gemeinsam an dem Projekt, wovon ein Großteil zu den Nachwuchswissenschaftlern zählt. "Wir wollen insbesondere junge Leute fördern, deshalb sind etwa 100 bis 200 Studierende beteiligt, daneben Promovierende und Post Docs, die immer wieder entscheidende frische Ideen mit einbringen", erklärt Sengstock.

Neben den Instituten für Physik und Chemie sind weitere Hamburger Institutionen an dem Projekt beteiligt, darunter das Zentrum für optische Quantentechnologie und das Zentrum für Wissenschaft mit freien Elektronenlasern (CFEL) sowie die Max-Planck-Gesellschaft, Max-Planck-Forschungsgruppen und Desy mit dem Forschungsbereich "Photon Science".

"Das Konzept der Exzellenzinitiative gibt vor, dass primär lokale Forschungsgruppen zusammen agieren sollen", erklärt Sengstock. "Es ist allerdings möglich, einzelne internationale Kollegen hinzuzuziehen."

Sollte das Projekt tatsächlich vor der DFG bestehen, wäre der Weg in die internationale Forschung danach allemal geebnet. "Würde unser Exzellenzcluster positiv begutachtet, bekämen wir über fünf Jahre bis zu acht Millionen Euro pro Jahr, das wären dann 40 Millionen Euro insgesamt", erklärt Sengstock. Geld, das die Institute dringend gebrauchen können. "Denn Grundlagenforschung im Bereich der Physik ist leider sehr teuer, und wir benötigen dringend teure Forschungsanlagen und auch qualifizierte Personen, die die Forschung durchführen."

Eine Förderung hätte somit große Auswirkungen für die Zukunft der naturwissenschaftlichen Fächer in der Hansestadt.

"Mit 40 Millionen Euro könnte die Forschung nachhaltig nach vorne gebracht werden. Und es könnten exzellente junge Wissenschaftler nach Hamburg geholt werden, nur die besten Köpfe. Das würde eine Lawine anstoßen", sagt Sengstock.

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