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Forschungsarbeit

Synchrotronstrahlen für die Spitzenforschung - eine Reise zur ALS

Von Andreas Benkert (22.03.2012)

Zu Beginn meines Studiums habe ich mich dazu entschlossen, im Rahmen des FOKUS Programms in Würzburg zu studieren, weil vor allem die Aussicht, relativ bald in Kontakt mit der aktuellen Forschung zu kommen sehr verlockend für mich war. Mittlerweile bin ich in der Masterphase angekommen, und arbeite seit einem guten halben Jahr an meiner Masterarbeit. Das Highlight meines Studiums durfte ich dabei in den letzten Monaten erleben, da mir FOKUS ermöglichte, nach Berkeley nahe San Francisco zu reisen, um dort an der „Advanced Light Source“ (ALS) Messungen für meine Masterarbeit durchzuführen.

Die Advanced Light Soure in Berkeley mit der San Francisco Bay und der Golden Gate Bridge im Hintergrund[Bildunterschrift / Subline]: Die Advanced Light Soure in Berkeley mit der San Francisco Bay und der Golden Gate Bridge im Hintergrund

Die ALS ist das Synchrotron, das auf dem Gelände des Lawrence Berkeley National Laboratory steht.

Ein Synchrotron ist im weitesten Sinne ein Teilchenbeschleuniger in dem Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf eine Kreisbahn gezwungen werden. Durch die Beschleunigung verlieren die Elektronen Energie, die als elektromagnetische Strahlung abgegeben wird. In einem Teilchenbeschleuniger ist diese Strahlung ein Nebenprodukt und eher unerwünscht. Zweck des Synchrotrons ist es aber, genau jene elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, die vom infraroten über den UV-Bereich bis in den harten Röntgenbereich reichen kann.

Der wichtigste Unterschied zwischen gewöhnlichen Röntgenröhren, wie sie in zahlreichen Labors auch an der Universität Würzburg zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu finden sind, und einem Synchrotron ist dabei, dass die Energie der Strahlung in einem sehr großen Bereich frei gewählt werden kann und gleichzeitig die Intensität der Strahlung um Größenordnungen höher ist.

Durch die Wahl von geeigneten Energien ist es möglich, die elektronische Struktur von zahlreichen Materialien zu bestimmen, unabhängig davon, ob es sich um ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Festkörper handelt. Da der experimentelle und finanzielle Aufwand eine solche Forschungseinrichtung zu betreiben jedoch enorm ist, gibt es nur eine begrenzte Anzahl auf der Welt. Zwar sind auch in Deutschland und Europa einige von ihnen zu finden, jedoch sind die Bedingungen an der ALS für die Themengebiete und Anwendungen in meiner Arbeitsgruppe ideal, was es wiederum lohnenswert macht, den relativ großen Aufwand der langen Anreise in Kauf zu nehmen.

In meiner Masterarbeit beschäftige ich mich mit der elektronischen Struktur von Gasen. Bisher wurde in meiner Arbeitsgruppe der Fokus jedoch auf Flüssigkeiten und Festkörper gelegt. Deshalb habe ich zuerst eine Apparatur entwickelt, mit der man unter anderem Flüssigkeiten bis zum Sieden erhitzen und das Gas anschließend in ein Rohrsystem leiten kann. Das Herzstück dieser Apparatur ist eine kleine Zelle, an deren einen Seite das untersuchte Gas nur durch eine etwa 100nm (1nm ist der millionste Teil eines Millimeters) dünne Membran vom Vakuum des Synchrotrons getrennt ist. Das Vakuum ist dabei nötig, um zum Einen die Absorption der Röntgenstrahlung auf dem Weg zur Probe so gering wie möglich zu halten, zum Anderen können sich die Elektronen im direkt mit der Messapparatur verbundenen Speicherring nur frei bewegen, wenn kein Restgas vorhanden ist, von dem sie gestreut werden können.

Nach den ersten erfolgreichen Versuchen, herkömmliche Umgebungsluft und gasförmigen Stickstoff zu messen, um die Funktionstüchtigkeit der Apparatur zu testen, wurde der Schwerpunkt auf die Analyse von einem für uns alltäglichen, aber dennoch zum Teil noch nicht vollständig verstandenen Medium gelegt: Wasser.

In jüngster Vergangenheit wurden Messungen an flüssigem Wasser durchgeführt, deren Ergebnisse zu einer regen Diskussion zwischen internationalen Arbeitsgruppen führten. Hauptstreitpunkt hierbei war, ob ein bestimmtes Signal dynamische oder strukturelle Ursachen hat. Die Verfechter der strukturellen Interpretation sind der Ansicht, dass das beobachtete Signal auf unterschiedliche Konfigurationen von Wassermolekülen und Wasserstoffbrückenbindungen zu erklären ist.

Die Würzburger Interpretation geht davon aus, dass es während der Messung zur Abspaltung eines Wasserstoffkerns vom Wassermolekül kommt. Bekräftigt wird diese Aussage durch Messungen an schwerem Wasser (D2O), bei dem die zwei Wasserstoffatome durch etwa doppelt so schwere Deuteriumatome im Wassermolekül ersetzt sind. Deren höhere Masse führt dabei dazu, dass der dynamische Prozess langsamer abläuft.

Tritt das fragliche Feature auch in den Messungen zum Wasserdampf auf, würde diese Aussage bestätigt werden, da in der Gasphase alle Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Wassermolekülen aufgebrochen sind und die Moleküle somit nur noch einzeln auftreten. Dadurch würde die Basis für die strukturelle Interpretation fehlen.

Unabhängig vom Ausgang werden die Ergebnisse meiner Messungen in einer geeigneten Fachzeitschrift veröffentlicht werden, und ich konnte einen Beitrag zur aktuellen Forschung beitragen. Aber nicht nur deshalb war der Aufenthalt in Berkeley für mich wohl die schönste und zugleich wissenschaftlich anspruchsvollste Zeit in meinem Studium.


Stationen
  • Seit Oktober 2007
  • Studium der Nanostrukturtechnik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Teilnahme am Studiengang „FOKUS Physik/ Nanostrukturtechnik“ des Elitenetzwerks Bayern
  • Juni 2009
  • 2-tägiges Laborpraktikum (Elektronenbeugung an geordneten Kristalloberflächen) sowie 1-tägiges Messpraktikum (Belastungstests an Zementen)
  • Oktober 2010 – Dezember 2010
  • 8-wöchiges Forschungspraktikum am Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie GmbH in Berlin
  • Juni 2011 sowie August 2011 – Oktober 2011
  • insgesamt 11 Wochen Forschungsaufenthalt an der „Advanced Light Source“ in Berkeley/Kalifornien