Die Chemisch-Physikalisch-Technische Sektion

18. Oktober 2010

Die Chemisch-Physikalisch-Technische ­Sektion (CPTS) umfasst derzeit 32 Max-Planck-Institute an 21 Standorten in 12 Bundesländern.

Die Unabhängigkeit der Institute führt zu einer großen Vielfalt hinsichtlich Gegenstand, Methode und Durchführung der Forschung. Bestimmte Themen werden von einzelnen Wissenschaftlern bearbeitet, etwa am Max-Planck-Institut für Mathematik. An anderen ­Instituten kooperieren Spezialisten unterschiedlichster Fachrichtungen und behaupten sich so im internationalen Wettbewerb. An den Max-Planck-Instituten für Festkörperforschung und für chemische Physik fester Stoffe etwa arbeiten Chemiker, die Materialien synthetisieren, eng mit Physikern zusammen, die deren Eigenschaften bestimmen. Dabei entstehen Materialien der Zukunft. Schließlich ist ein wesentlicher Anteil von Instituten der CPTS federführend an internationalen Verbundprojekten beteiligt, die sich der Erforschung der elementaren Bausteine der Materie oder des Weltalls widmen.

Die hier folgenden wissenschaftlichen Beiträge der CPT-Sektion stützen sich meist auf gemeinsame Arbeiten aus mehreren Instituten. Sie lassen sich, was aktuelle Ergebnisse und zukünftige Forschung anbelangt, in drei grobe Themenbereiche einteilen: (i) Materie, (ii) Komplexe Interaktion, (iii) Neuartiges Licht.

Friedrich Besemann: Göttingen, Sternwarte vom Wall aus, um 1830

Materie – Bei der Erforschung des fundamentalen Aufbaus der Materie dringt die Elementarteilchenphysik stetig in noch kleinere Dimensionen vor, ­während die Astrophysik immer weiter entfernte Regionen des Weltalls erschließt. »Das Universum als Physiklabor« (S. 64) eignet sich dazu, »Raum, Zeit, Materie und Kräfte« (S. 68) als die fundamentalen Eigenschaften der Natur zu untersuchen. Wie aufwändig diese Forschung ist, schildert »Big Science« (S. 62). Zukunftsorientierte Materialforschung findet in der Max-Planck-Gesellschaft vor allem an den Grenzen von Physik, Chemie und Biologie statt. »Multiskalen-Modellierung« (S. 42) als Querschnittsdisziplin in der Materialforschung macht deutlich, dass bereits heute ausgereifte Simulationen oft teure Experimente ersetzen. Die Symbiose chemischer und physikalischer Methoden bei Phänomenen auf der Nanometerskala führt zu einem »Aufbruch in die Nanowelt« (S. 46), dessen Vision die Konstruktion kleinster funktionaler Einheiten ist. Von der Natur lernt die »biologische Materialforschung« (S. 60), indem sie funktionale organische Materialien, die die Evolution hervorgebracht hat, zunehmend erfolgreich als Vorbilder für die Entwicklung neuer Werkstoffe mit herausragenden Eigenschaften und Funktionen nutzt.

Komplexe Interaktion – Wie wir durch unsere Lebensgestaltung unseren Lebensraum verändern, ist strittig und bedarf objektiver Grundlagenforschung. Die Max-Planck-Institute, die sich der Erdsystemforschung widmen, weisen auf den »Kohlenstoffkreislauf im Erdsystem« (S. 50) als eine der Schlüsselfragen hin. Dazu gehört auch die »Forschung für eine nachhaltige Energieversorgung« (S. 52). Indirekt hängt schließlich die »Katalyseforschung« (S. 54) mit diesen Fragen zusammen.

Sowohl die Erde als auch die Gesamtheit der Menschen zeigen, jeweils einzeln wie auch im Zusammenwirken, Merkmale eines komplexen Systems. Wie die allgemeinen Prinzipien, die für »Komplexe Systeme« (S. 56) gelten, sich in konkreten Situa­tionen auswirken, ist noch wenig bekannt. Während »Bioinformatik hilft heilen« (S. 66) eine konkrete Perspektive für eine zukünftige individualisierte The­rapie liefert, weist »Multimodale Verarbeitung und Interaktion« (S. 58) den Weg zur praktischen Umsetzung komplexer Zusammenhänge in formalisierbare Abläufe.

Neuartiges Licht – Durchbrüche bei der Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse, intensiver Röntgenpulse und von Laserlicht mit extrem stabiler Frequenz zur ultragenauen Bestimmung von Zeitintervallen wer-den zu einem Wechselspiel von »Licht und Materie« (S. 48) führen, das vor einem Jahrzehnt kaum ab­sehbar war. Die Möglichkeit, Atome und Moleküle ultrakalter Gase mittels speziellen Laserlichts gezielt in Strukturen anzuordnen, die einem Festkörper äh-neln, lässt Teile der Quantenoptik und Festkörper­physik zusammenwachsen, wie in »Quantentechnik mit Vielteilchensystemen« (S. 44) erläutert.

NEUE INITIATIVEN

Joseph-Fortuné Layraud: Der Fallhammer. Schmieden und Stahlwerke von Saint-Chamond, 1889

Das Potenzial, das in der Forschung mit Licht steckt, führte bereits im Jahr 2009 zur Gründung eines Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts. Neue Formen der Zusammenarbeit mit der Helmholtz-Gemeinschaft und der Universität Hamburg werden im Center for Free-Electron Laser Science (C-FEL) realisiert. Mit dem Freie-Elektronen-Laser (FEL) auf dem Gelände des Deutschen Elektronen-Synchro-trons DESY entsteht in Hamburg eine weltweit einzigartige Lichtquelle, die hochintensive kurze Röntgenlichtpulse erzeugen kann. Mit deren Hilfe sollen in Materie schnell ablaufende Prozesse als Film mit höchster Auflösung in Raum und Zeit auf­ge­zeichnet werden. Ausgehend von Physik und Chemie profitieren auch die Forschungsgebiete Material­wissenschaften und Strukturbiologie bis hin zur Medizin vom Aufbau des Lasers. Am C-FEL beteiligt sich die Max-Planck-Gesellschaft mit zwei Abtei­lungen sowie einer Advanced Study Group. Letztere ist ein Zusammenschluss von Abteilungen mehrerer Institute, die sich mit FEL-Forschung beschäftigen und auch erfolg­reich an FELs in den USA (Stanford) und Japan experimentieren. Diese neue Form der intersektionellen Zusammenarbeit wird zukünftig auch auf dem Gebiet der Energie­forschung genutzt werden, die bisher im Verbund EnerChem von ver­schiedenen Max-Planck-Instituten getragen wird.

Das Ende 2004 neu gegründete Max-Planck-Institut für Softwaresysteme ergänzt das Max-Planck-Institut für Informatik und verstärkt den Themen­bereich »Komplexe Interaktion«. Neue For-schungsrichtungen in der Max-Planck-Gesellschaft entstehen aber nicht nur durch Neugründungen, sondern auch durch Neuausrichtung bestehender Institute: So wird sich ein Teil des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Zukunft mit dem Thema »Autonome Systeme« beschäftigen. Dahinter verbirgt sich die Absicht, Robotik auf der Grundlage von Mikro- und Nanosystemen bis hin zu Zell-verbänden zu verwirklichen. Hierzu werden die Wissenschaftler systematisch die wesentlichen Prozesse autonomen Verhaltens untersuchen und so weit wie möglich realisieren: Wahrnehmen, Handeln und Lernen. Diese Fähigkeiten, im Verbund mit Denkvermögen, bilden auch ganz allgemein die Voraussetzung für gute Forschung.

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