Heutige Mikroprozessoren – Herzstücke jeden Computers oder Smartphones – beinhalten Milliarden von elektronischen Bauelementen mit Strukturabmessungen, die teilweise im Bereich von Nanometern (millionster Teil eines Millimeters) liegen. Bedingt durch quantenmechanische Gesetzmäßigkeiten, die auch die Welt der Atome bestimmen, werden fundamentale physikalische Grenzen für diese Bauelemente erreicht. Doch lassen sich quantenmechnische Phänomene schon auf größeren Längenskalen beobachten – und auch nutzen.
Dazu müssen entsprechende funktionelle Nanostrukturen künstlich erzeugt werden. Als Ausgangsmaterialien werden im Institut unter extremem Vakuum Kristallschichtstrukturen Atomlage für Atomlage hergestellt. Die Strukturierung erfolgt dann im Nanostrukturlabor sowohl mit optischer Lithographie als auch mittels fokussiertem Elektronen- oder Ionenstrahl. Diese Techniken haben höchste Anforderungen an Staubfreiheit, Stabilität bei Temperatur und Luftfeuchte, aber auch an die Unterdrückung von mechanischen Vibrationen und Störmagnetfeldern.

Die Prozessierungstechnologien werden erläutert und mithilfe von einfachen Experimenten demonstriert. Es wird gezeigt, wie die Zahl der Staubteilchen in der Luft millionenfach reduziert werden kann und mit welchem erheblichen Aufwand die adäquaten Umgebungsbedingungen für die Anlagen erzeugt werden müssen.

Elektrische Energie aus regenerativen Quellen (Wind, Wasserkraft, Solar) wird in Zukunft fossile Energieträger als Primärenergieträger zunehmend ersetzen. Wasserelektrolyseure werden diese Energie nutzen können, um Wasserstoff herzustellen. Dieser Wasserstoff könnte in Brennstoffzellen im Bereich mobiler Anwendungen (in LKWs, Autos, Zügen) wieder verstromt werden. Auf diese Weise könnte der Energieträger Wasserstoff zur Speicherung regenerativ erzeugter Energie genutzt werden als auch zur sogenannten Sektorenkopplung (Energieerzeugung, Verkehr, chemische Industrie) beitragen.

Wir erklären Ihnen unsere Forschungsarbeiten in den Bereichen protonenleitender Membranen für Brennstoffzellen und Wasserelektrolyseure als auch der Speicherung von Wasserstoff in sogenannten MOFs (metal organic frameworks).

Extreme äußere Einflüsse ändern das Verhalten und die Eigenschaften der Stoffe. Zum Beispiel dient erhöhter Druck als besonderes Werkzeug in vielen Prozessen wie der Lebensmittelkonservierung oder chemischen Synthesen. Auf Meeresspiegelniveau beträgt der Druck 1 bar. Mit zunehmender Wassertiefe steigt der Umgebungsdruck pro 10 m Tiefe um ein weiteres Bar. Am Erdmittelpunkt in ca. 6371 km Tiefe erreicht der Druck unvorstellbare 3.600.000 bar. Materialien haben unter diesen Bedingungen kaum noch etwas mit ihrer Ursprungsgestalt und deren Eigenschaften gemein. So wird Heliumgas ab 10.000 bar fest und Sauerstoff ab 100.000 bar sogar metallisch.
Im Labor für Hochdrucksynthesen werden Apparate und Methoden eingesetzt, mit denen Substanzen Drücken von bis zu 20 GPa (200.000 bar) und Temperaturen von bis zu 2.200°C ausgesetzt werden können. Dabei können ganz neue Materialien mit besonderen elektronischen und mechanischen Eigenschaften entstehen. Außerdem werden die Bedingungen für eine Umwandlung der Stoffe und die Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften von Druck und Temperatur untersucht.

Wohl jeder von uns hat schon Künstler bewundert, die aus einem unscheinbaren Stück Stein großartige 3-dimensionale Kunstwerke geschnitzt haben. In der modernen Forschung stehen wir vor ähnlichen Aufgaben. Allerdings sind die Materialien, an denen wir herumschnitzen viel kleiner, ja so klein, dass sie oft mit bloßem Auge gar nicht zu erkennen sind! Es ist klar, dass diese Schnitzarbeiten nicht mehr mit Hammer und Meißel vorgenommen werden können. Stattdessen verwenden wir einen sehr feinen Strahl schneller geladener Atome. Mit diesem sogenannten Ionenstrahl können wir feinste Strukturen in beliebige Materialien fräsen.

Wir laden Sie zu einer Live-Demo in unsere hochmoderne Schnitzwerkstatt ein!

Alle Materialien, die uns umgeben, bestehen letztendlich aus einzelnen Atomen. Deren Anordnung und chemische Bindung bestimmen, welche Eigenschaften das Material hat. Um dies zu untersuchen, muss man die Atome sichtbar machen. Dazu reichen Lichtmikroskope leider nicht aus – man braucht Elektronenmikroskope. Mit bis zu 50.000.000-facher Vergrößerung schauen wir in das Innere der Materialien, vermessen die Position der Atome und schauen uns die zwischenatomaren Bindungen an. Mit diesen Erkenntnissen können wir Materialeigenschaften optimieren.

Wir zeigen Ihnen "live" den Betrieb eines Elektronenmikroskops der neuesten Generation. Wenn Sie wollen, dürfen Sie auch gerne selbst Hand anlegen und z. B. das untersuchte Material um nur ein Millionstel eines Millimeters zur Seite schieben.

Das Präzisionslabor auf dem MPI-Campus bietet für viele unserer empfindlichsten Experimente eine optimale Versuchsumgebung. Um einzelne Atome und subatomare Strukturen mikroskopisch auflösen und manipulieren zu können, brauchen wir eine extrem ruhige Umgebung. Je genauer man hinschauen will, umso ruhiger muss es sein. In unserem Präzisionslabor haben wir neue Maßstäbe gesetzt. Eine große Laborhalle bietet für elf Experimente eine der ruhigsten und störungsärmsten Versuchsumgebungen, die es auf der Welt gibt. Der Boden, auf dem die Experimente stehen, bewegt sich so langsam, dass es fast nicht mehr messbar ist. Man kann in den Messboxen nichts mehr von außen hören und Handys haben keinen Empfang mehr. Dadurch können wir uns mit den Experimenten bei tiefsten Temperaturen auf die kleinsten Signale konzentrieren, die von einzelnen Atomen und Molekülen kommen.

Wir bieten in kleinen Führungen einen Einblick in diese einzigartige, lautlose und ruhige Welt.

Funktionelle Materialien wie beispielsweise Halbleiter spielen eine wichtige Rolle in unserem Alltag. So sind z. B. Microchips oder TFT-Bildschirme (Thin Film Transistor) nicht mehr wegzudenken. Die "Funktion" wird oft erst durch die Herstellung als Dünnfilm auf Nanometerebene ermöglicht oder verstärkt. Spiegel mit ihrer glatten Metalloberfläche seien hier als das erste "Gerät" mit Dünnfilmtechnologie genannt. Besonders die Einsetzbarkeit für elektronische Bauteile motiviert, dass Dünnfilme eine wichtige Rolle in der heutigen Forschung und Entwicklung spielen. So wurde zum Beispiel die Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen erst durch Dünnfilme ermöglicht. Die Technik der Dünnfilmherstellung ist essenziell für die Qualität und die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien. In der Wissenschaftlichen Einrichtung "Dünnschichttechnologie" am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung haben wir die einzigartige Möglichkeit, Forschung in der Dünnfilmherstellung mit unterschiedlicher Komplexität zu betreiben: So benutzen wir einfaches Aufdampfen und Aufsputtern bis hin zu komplexeren Techniken wie PLD (pulsed l aserdeposition, gepulste Laser-Aufdampfung) und seit neuestem eine Oxid-Molekularstrahl-Epitaxieanlage. Letztere erlaubt es, Nanostrukturen mit einer Komplexität herzustellen, die so in keiner Weise mit anderen Verfahren möglich ist.

Die Prozessierungstechnologien werden erläutert und mithilfe von einfachen Experimenten demonstriert. Es wird gezeigt, wie die Zahl der Staubteilchen in der Luft millionenfach reduziert werden kann und mit welchem erheblichen Aufwand die adäquaten Umgebungsbedingungen für die Anlagen erzeugt werden müssen. In unseren Laboren können sie einen Einblick in die verschiedenen Methoden der Dünnfilmherstellung gewinnen.

Viele Eigenschaften von Materialien sind durch die atomare Struktur in einem Festkörper und an seiner Oberfläche bestimmt. Die Position und Sorte der Atome beeinflussen dann die Bewegungen der Elektronen in Festkörper und Oberfläche. Wir zeigen Ihnen wie wir die Chemie und Bindung an der Oberfläche mit unserem neuen Elektronenspektrometer auf Mikrometerskala untersuchen und die Energien und Geschwindigkeiten der Elektronen im Festkörper spektroskopisch bestimmen. Wir demonstrieren Messungen an Elektronen in Kohlenstofflagen von nur einem Atom Dicke, dem sogenanntem Graphen.

Die atomare Struktur einer Kristalloberfläche kann mit der Beugung langsamer Elektronen bestimmt werden. Die Beugungsreflexe verändern ihre Helligkeit mit der Wellenlänge der Elektronen. Wir zeigen Ihnen wie man die Intensitäten der Beugungsreflexe zu Spektren vermessen kann. Durch Vergleich mit Simulationen können solche Intensitätsspektren verwendet werden, um die Position der Atome in der Oberfläche zu bestimmen.

In unserem Katapult zeigen wir Ihnen, dass leichte Ionen schneller fliegen können als schwerere. Wie funktioniert das? In unserem Labor demonstrieren wir, wie eine dreidimensionale Materialanalyse mittels Flugzeitmessung von Sekundärionen erfolgt.

Erinnern Sie sich noch an den letzten Tag der offenen Tür? Im 2H-Flur konnten Sie damals eine Baustelle im Anfangsstadium besichtigen. Wir erzählten von den Schwierigkeiten, in einem bestehenden Institut bei laufendem Betrieb ein neues Labor mit besonderen Anforderungen einzurichten. Heute können Sie sich vom Erfolg unserer Bemühungen überzeugen. Drei der vier möglichen Messplätze sind in der Zwischenzeit belegt und ermöglichen Messungen bei wenigen Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur. Gleichzeitig können die zu messenden Proben Magnetfeldern mit bis zu 18 Tesla ausgesetzt werden. (Das Magnetfeld der Erde beträgt auf der Erdoberfläche 0.00004 Tesla.)
Unter solch extremen Bedingungen werden spezielle physikalische Eigenschaften sichtbar, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen, und es können Rückschlüsse auf die Anordnung der mikroskopischen Bausteine und derer innerer Freiheitsgrade (z. B. Bahndrehimpuls, Spin) gezogen werden. Die Experimente zeigen, dass es weitaus mehr diskrete Zustände der Materie gibt als wir uns aus klassischer Sicht vorstellen können, u. a. ungewöhnliche metallische, magnetische und supraleitende Zustände.

Von dem experimentellen Aufwand, der sich hinter diesem Erkenntnisgewinn verbirgt, können Sie sich im Tieftemperatur-Labor einen Eindruck verschaffen.

Feststoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften sind für viele High-Tech-Anwendungen unverzichtbar. In Zukunft werden die gewünschten Funktionen nicht nur durch die Materialien selbst, sondern durch Grenzflächen unterschiedlicher Materialien erzeugt. In aktuellen Forschungsarbeiten wurde beispielsweise entdeckt, dass an der Grenze von Oxiden ganz neue und ungewöhnliche physikalische Eigenschaften auftreten können. Diese hängen allerdings entscheidend von der kristallinen Perfektion der Oxide ab.
Laserablation ist eine elegante und hochmoderne Methode zur Herstellung atomar dünner oxidischer Schichten. Dabei lassen sich Atome wie Legosteine kombinieren. Wir treiben diese Methode voran und nutzen sie, um gezielt superdünne Schichtfolgen funktionaler Oxide atomar genauer Grenzschichten abzuscheiden.

Bei unserer Labordemonstration kann man an einer der modernsten Laserablationsanlagen der Welt "live" miterleben, wie solche Grenzflächen durch "Lego mit Atomen" hergestellt werden.

Die Nachfrage an Energie wird in Zukunft steigen und gleichzeitig wird es nötig sein unsere begrenzten Ressourcen zu schonen. Ein Beitrag um dieses Problem zu lösen ist die Entwicklung von Generatoren mit besonders hoher Effizienz. Thermoelektronische Generatoren haben das theoretische Potential hocheffizient Wärme in Strom zu wandeln. Dabei ermöglicht diese Generatorbauart deutlich höhere Arbeitstemperaturen bis weit über 1500°C im Vergleich zu Dampfturbinen die derzeit in Kraftwerken arbeiten und bei bis ca. 750°C betrieben werden. Darüber hinaus kommt der thermoelektronische Generator völlig ohne bewegliche Teile aus.
Die Grundidee des thermoelektronischen Generators besteht aus einer heißen und einer kalten Metallplatte. Elektronen verlassen aufgrund der hohen Temperatur die Oberfläche der heißen Metallplatte und wandern durch ein Vakuum zur kalten Metallplatte. Von dort fließen die Elektronen durch ein Kabel wieder zurück zur heißen Platte. Der so entstehende elektrische Strom kann verwendet werden um einen Verbraucher zu betreiben oder um ins Netz eingespeist zu werden.

Bei unserer Vorführung kann "live" das Prinzip des thermoelektronischen Generators betrachtet werden. Zusätzlich können bei der Laborpräsentation die Generatoren betrachtet werden, mit denen wir auf der Jagd nach den höchsten Effizienzen sind.

Wenn man eine extrem saubere Umgebung benötigt, ist Vakuum die beste Wahl: es sind gar keine anderen Atome da, die das Werkstück oder die Untersuchungsumgebung verunreinigen könnten. Vakuumtechnik ist deshalb sowohl in der Wissenschaft als auch in der modernen Technik vielerorts eine unverzichtbare Basistechnologie. Die Methoden zur schnellen und zuverlässigen Erzeugung von extremem Vakuum werden immer weiter verfeinert. Turbomolekularpumpen arbeiten nach dem Prinzip der Flugzeugturbine. Die Schaufelräder in diesen Turbinen drehen sich mit 90.000 Umdrehungen pro Minute und erzeugen Drücke von 0,000000000001 (einem Billionstel) des Atmosphärendrucks.

Wir zeigen wie solche Vakuumpumpen und die dazugehörigen Kammern funktionieren. Sie dürfen selbst ausprobieren wie Vakuumanlagen zusammengeschraubt und ausgepumpt werden, speziell aufgebaute Demonstrationsversuche erlauben Ihnen einen direkten Eindruck vom neuesten Stand der Vakuumtechnik. Anfassen und schrauben ausdrücklich erlaubt!

Wir bieten vielfältige und bunte Einblicke in die Welt des Kleinen und ganz-Kleinen, wobei sich der Bogen von der Millimeter- über die Mikrometer- bis hinab zur Nanometerskala spannt. Zum einen tasten wir mithilfe einer sehr feinen Spitze unterschiedliche Oberflächen ab, um  außergewöhnliche Muster zum Vorschein zu bringen. Zum anderen können Sie beobachten, wie unter einem Mikroskop farbenprächtige, anmutige Kristallformen entstehen, und wie kleinste magnetische Sphären unter dem Einfluss eines Magneten zu tanzen beginnen.

Legen Sie selbst ein wenig Hand an, um zu erforschen, welche erstaunlichen Assoziationen beim Betrachten der mikroskopischen Welt geweckt werden können!

Was passiert mit Alltagsgegenständen, wenn wir die Luft um sie herum entfernen und warum ist ein gutes Vakuum entscheidend für unsere Forschung?

Wir machen Experimente um zu demonstrieren, was alles passiert, wenn man die Luft um alltägliche Gegenstände herum abpumpt. Wir reduzieren den Druck in einem Gefäß kontinuierlich vom Umgebungsdruck bis zur dünnen Luft auf dem Mount Everest ... und darüber hinaus. Unsere Kandidaten sind: ein Luftballon, ein Marshmallow und verschiedenen Flüssigkeiten wie Wasser, Alkohol und Öl. Lassen wir uns überraschen.

In unserem Labor erklären wir, während diese Experimenten laufen, wie man Vakuum bei uns auf der Erde erzeugen kann und warum ein extrem gutes Vakuum eine wichtige Voraussetzung für unsere Forschung an Molekülen und anderen Nanometerstrukturen ist.

Supraleiter faszinieren seit über hundert Jahren Wissenschaftler und Visionäre. Der supraleitende Zustand, den man mittlerweile in vielen Materialien bei sehr tiefen Temperaturen gefunden hat, zeigt zwei charakteristische und für unsere Alltagserfahrung sehr ungewöhnliche Merkmale: Zum einen fällt der elektrische Widerstand abrupt auf null ab und zum anderen bleibt das Innere eines Supraleiters frei von magnetischen Feldern. Letztere Eigenschaft möchten wir Ihnen anhand unseres supraleitenden Zuges anschaulich demonstrieren. Dazu wird ein sogenannter Hochtemperatursupraleiter mit flüssigem Stickstoff auf –196°C gekühlt und über starken Permanentmagneten zum Schweben gebracht.

Viele elektronische Bauelemente, unter anderem Leuchtdioden, Feldeffekt-Transistoren und Solarzellen, können nicht nur aus traditionellen anorganischen Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium oder Galliumarsenid hergestellt werden, sondern auch aus dünnen Schichten spezieller organischer Moleküle. Dabei handelt es sich um konjugierte Kohlenwasserstoffe, die aufgrund ihrer atomaren Bindungsstruktur und der Wechselwirkungen zwischen benachbarten Molekülen innerhalb der Schicht halbleitende Eigenschaften besitzen. Weil sich organische Halbleiterschichten bei viel niedrigeren Temperaturen und viel leichter auf größeren Flächen verarbeiten lassen als anorganische Halbleiter, ergeben sich für organische elektronische Bauelemente eine Reihe völlig neuer Anwendungen, beispielsweise großflächige Lampen, biegsame Bildschirme und digitale Schaltkreise auf dünnen Folien oder Papier.

Wir erklären anhand einiger konkreter Beispiele, wie organische Bauelemente und Schaltkreise hergestellt werden und wie sie funktionieren.

Historische Objekte sind während der Lagerung in Museen und Sammlungen Luftfeuchtigkeit und atmosphärischen Gasen wie CO₂ und O₂ über Jahrhunderte ausgesetzt. Zusätzlich emittieren Holzmöbel und -vitrinen, Ameisen- und Essigsäure oder deren Vorstufen. In Folge dessen kommt es zu verschiedenen Korrosionsprozessen, die mitunter beträchtliche Beschädigungen des betroffenen Objekts nach sich ziehen. Das Ziel der Konservierungswissenschaften ist die bestmögliche Erhaltung der historischen Artefakte. Hierfür sind neben Informationen zu den verwendeten Materialen und der Herstellungsweise der Objekte auch detaillierte Daten zur Natur und Konstitution der Korrosionsprodukte notwendig, da diese die Voraussetzung für die Entwicklung geeigneter Konservierungsstrategien sind. Neben der sehr begrenzten Probenmenge erschweren der feinkristalline Charakter der bei der Korrosion entstehenden Verbindungen sowie das Auftreten komplexer Gemische die Untersuchungen. Mithilfe der modernen Röntgenpulverdiffraktometrie können kristalline Phasen identifiziert und quantifiziert werden und ihr Verhalten in Abhängigkeit von Zeit, Temperatur und Luftfeuchte untersucht werden. Seit Kurzem ist es auch möglich unbekannte Kristallstrukturen ab-initio aus mikrokristallinen Pulvern aufzuklären. Dies wird an unterschiedlichen Korrosionsprodukten demonstriert werden.

Wer möchte ist herzlich eingeladen eine Pulverprobe (< 1 g reicht aus) einer unbekannten kristallinen Substanz zur qualitativen Phasenanalyse mittels Pulverdiffraktometer mitzubrigen. Die Analysen erfolgen nach dem Prinzip first come first served.

Flache Festkörper atomarer Dicke sind ein äußerst dringlicher wie faszinierender Gegenstand der aktuellen Forschung. Auf einem zuvor ungeahnten Niveau ist es heutzutage möglich, einzelne Atomschichten herzustellen und gezielt zu manipulieren. In diesen realisiert sich eine Vielzahl quantenphysikalischer Phänomene, deren Untersuchung die besondere Spezialität und Leidenschaft der Forschungsgruppe Festkörper-Nanophysik ist. Mithilfe einzelner Atomlagen lassen sich zudem mikroskopische Modellsysteme konstruieren, in denen anwendungsnahe Prozesse studiert werden können – potenziell sogar bei echter atomarer Auflösung. In einer Zeit, die verstärkt auf nanotechnologische Lösungen setzt, bieten solche Modellsysteme einen wichtigen Zugang zum Verständnis grundlegender Funktionszusammenhänge.

Jüngsten Aktivitäten der Forschungsgruppe gelang nun dabei ein Brückenschlag zur Chemie. Zwischen gestapelten Atomlagen verbleiben Lücken, in die Ionen oder Moleküle eingelagert werden können. So wird in Lithium-Ionen-Batterien Lithium zwischen den einzelnen Kohlenstoffschichten von Graphit gespeichert. Obwohl dieser Batterietyp seit fast 30 Jahren existiert, gelang es erst jetzt, den Prozess der Ein- und Auslagerung von Lithium-Ionen zwischen genau zwei Atomlagen Kohlenstoff zu beobachten.

Überraschend neue Erkenntnisse sowie aktuelle Bemühungen dieses interdisziplinären Zweigs unserer Gruppe möchten wir Ihnen vorstellen.

Sensoren sind aus unserem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. So messen wir beispielsweise die Temperatur mit Thermometern oder die relative Luftfeuchtigkeit mit Hygrometern, sogenannten Gassensoren. Neben diesen alltäglichen Anwendungen sind Gassensoren vor allem für eine Vielzahl von industriellen Anwendung von enormer Bedeutung. Um dort zum Einsatz zu kommen, ist es notwendig, die Eigenschaften der Sensoren zu verbessern sowie auf die jeweiligen Anforderungen hin maßzuschneidern.

In unseren Laboren zeigen wir Ihnen mit interaktiven Versuchen aus unserer aktuellen Forschung wie wir die Grundlagenforschung dafür nutzen können, um mithilfe der Nanotechnologie aus ultradünnen Schichten vielfältige Gassensoren zu entwickeln:

• Herstellung von ultradünnen Schichten aus Schichtmaterialien
• Fabrikation und Demonstration von optischen Sensoren
• Maßschneidern der Sensoreigenschaften mittels Nanotechnologie

Wie präzise müssen Strom, Wasser und Licht mit Hardware und Software zu­sammen­arbeiten, um effizient schnelle, sichere und zuverlässige IT-Dienste für die 700 PCs in den Büros und Laboren des MPI für Fest­körper­for­schung bereitzustellen. Aktuell werden die Rechencluster für die Simu­lationen der Theoriegruppen des Instituts auf knapp 11.000 Rechenkerne aus­gebaut, die ebenfalls effizient mit Strom versorgt und gekühlt werden müssen. Dazu wurde unser ehemali­ger Serverraum komplett umgebaut. Der lokale Theorie-Rechencluster greift zusammen mit seinem in Garching auf­gestellten Gegen­stück auf ein gemeinsames verteiltes Datei­system zu - verbunden mit einer 10 Gbit/s schnellen dedizierten Glasfaser. 500 TB wissen­schaftlicher Daten werden jede Nacht ge­sichert und nach Veröffentlichung ar­chi­viert, also 10 Jahre lang auf dem Bandroboter regelmäßig umkopiert um die Lesbarkeit und damit die Überprüf­barkeit zu gewährleisten. Um ganz sicher zu gehen wird eine weitere Kopie des Archivs im Bandroboter unseres Prä­zi­sionslabors am anderen Ende des Campus vorgehalten. Die Daten wandern dabei durch unser schnelles Glasfaser-Netzwerk mit bis zu 50 GBit/s.

Das Ziel dieser Besichtigung ist, ihnen den Aufwand zu ver­mitteln, um einen zuver­lässigen Betrieb sicher­zustellen, Energieeinsparungen zu erreichen und die notwendige wissen­schaftliche Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Atome und Moleküle sind die Grundbausteine, aus denen alles Materielle aufgebaut ist. In dem Gebiet der Nanowissenschaften untersucht man die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Strukturen, die aus nur wenigen Atomen bestehen und zu klein sind, um sie mit der optischen Mikroskopie zu sehen.
Eine Möglichkeit sich diese Welt dennoch zu erschließen, bietet das Rastertunnelmikroskop. Eine feine Metallspitze, deren Ende aus nur einem einzigen Atom besteht, tastet dabei Zeile für Zeile eine Probenoberfläche ab, ohne sie zu berühren. Dabei wird ein Tunnelstrom gemessen, der vom Abstand zwischen Oberfläche und Spitze abhängt. Dieser nur quantenmechanisch erklärbare Tunnelstrom erlaubt es, mit höchster Präzision einzelne Atome, Moleküle und Nanostrukturen darzustellen. Damit ist das Rastertunnelmikroskop zu einem wichtigen Messinstrument in der Festkörperphysik geworden und aus den meisten Laboren kaum mehr wegzudenken.

Einen Einblick in den Aufbau und die Funktionsweise des Rastertunnelmikroskops geben wir mit einer Einführung und Live-Messung.

Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen für eine nachhaltige und gesicherte Energieversorgung sind große Herausforderungen, denen wir uns derzeit stellen müssen, um unseren Lebensstandard auch in Zukunft beibehalten zu können. Zu diesem Zweck entwickeln wir Materialien, die das Sonnenlicht nutzen können, um alternative Energieträger wie Wasserstoff zu generieren. Hierbei nehmen wir die natürliche Photosynthese als Vorbild und ahmen diesen Prozess auf molekularer Ebene nach. Neben dem Forschungsschwerpunkt der "künstlichen Photosynthese" entwickeln wir Materialien, die Licht absorbieren und die daraus gewonnene Energie gleich einer Batterie speichern. In unserem Labor zeigen wir Ihnen anhand von Beispielen, wie wir auf einfachem Wege von einem preisgünstigen, gut verfügbaren organischen Material zu einem Photokatalysator für die Wasserstoffentwicklung oder zu einer "solaren Batterie" gelangen.

Wir veranschaulichen

• Die chemische Synthese aktiver Photokatalysatoren auf Kohlenstoffnitrid-Basis
• Die licht-induzierte Wasserstoff-Entwicklung mithilfe von organischen Halbleitern
• Speicherung von Sonnenenergie in Solarzelle-Batterie-Hybrid-Systemen

Für die Stromversorgung mobiler Geräte (Laptop, Handy, ...) und für die Elektromobilität sind wiederaufladbare Batterien, meist auf der Basis von Lithium, von großer Bedeutung. Diese Batterien bestehen aus drei elektrochemisch aktiven Komponenten: Anode, Kathode und Elektrolyt. Wiederaufladbarkeit über viele Lade-/Entladezyklen und eine hohe Stabilität der Batteriezellen wird durch eine geschickte Materialauswahl und Strukturierung für diese Komponenten erreicht.

Wir zeigen den Aufbau und das Lade-/Entladeverhalten von konventionellen Lithium-Batterien, die Besonderheiten nanostrukturierter Materialien und den dadurch möglichen Einsatz ganz neuer – z. B. Natrium-basierter – Materialklassen.

Feststoffe können Strom nicht nur – wie Metalle – durch Transport von Elektronen leiten; bei geeigneter Kristallstruktur und erhöhten Temperaturen werden auch Ionen beweglich. Ionenleitende "Elektrolyt-Materialien" sind das Herzstück elektrochemisch funktionierender Geräte. Wir zeigen verschiedene Beispiele:

In einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle wird chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Ein Labormodell erzeugt aus brennbaren Gasen – wie sie auch in einer Flammen enthalten sind – Elektrizität.

"Messen statt Riechen": ein elektrochemischer Sensor misst Kohlendioxid (CO₂), das bei Verbrennungsprozessen genauso wie im Stoffwechsel entsteht und für die "schlechte Luft" in überfüllten Räumen sorgt.

Bei der Raman-Spektroskopie werden Materialien mit Laserlicht angeregt. Dabei werden Spektren mit unterschiedlichen Spektrallinien erzeugt, die gegenüber der Wellenlänge der Lichtquelle verschoben sind und Aussagen über verschiedene Molekülschwingungen möglich machen. Im Ramanlabor werden optische Experimente an verschiedenen Proben durchgeführt. Dabei kommen rotes, grünes oder blaues Laserlicht zum Einsatz. Bei der Vorführung wird eine Materialumwandlung an einer beispielhaften Probe durch eine geringe Änderung der Temperatur bewirkt und die Abweichungen der dabei messbaren Spektren werden erklärt. Anhand weiterer gemessener Spektren werden typische Ramanlinien einiger Materialien und ihre temperaturabhängigen Änderungen gezeigt.

Es wird erklärt, wie anhand der Spektren Erkenntnisse bei der Untersuchung von Kristallen, Supraleitern, Nanoröhrchen, Graphen und anderen Materialien, an denen am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung geforscht wird, gewonnen werden.