Adventskalender 2021

Es ist wieder soweit: Bis Weihnachten öffnen wir für Sie jeden Tag ein Türchen mit Bildern, Podcasts und Videos aus der Wissenschaft – und vielen spannenden Forschungsgeschichten. Viel Spaß beim Stöbern und Staunen!

Manche Sterne verabschieden sich auf spektakuläre Weise: Sie explodieren als Supernova. Dabei entstehen ein Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch und sogenannte Emissionsnebel – Wolken aus interstellarem Gas, die Licht unterschiedlichster Wellenlängen aussenden. Unser Hintergrundbild zeigt den Cirrus- oder Schleiernebel. Dieser Überrest einer riesigen Supernova liegt rund 2400 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schwan.
_{© NASA/ESA/Hubble Heritage Team}

Molekulare Blattmacher

Lanzettlich, elliptisch, einfach oder mehrfachgefiedert ̶ in der Natur findet sich eine immense Vielfalt an Blattformen. Dabei können selbst nah verwandte Arten ganz unterschiedliche Blätter haben, denn die Blattform ist auch eine Anpassung an die Umwelt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung suchen nach Genen, die das Blattwachstum kontrollieren. Als Modell nutzen sie das Behaarte Schaumkraut, ein filigranes weißblühendes Pflänzchen mit gefiederten Blättern. So ist es ihnen gelungen, das sogenannte RCO-Gen zu identifizieren, das während der Blattentwicklung eine Schlüsselrolle spielt. Das Bild einer Blattknospe zeigt in Pink diejenigen Zellen, in denen das Gen aktiv ist. Sie sitzen in regelmäßigen Abständen am Blattrand und können sich infolge der Genaktivität nicht mehr teilen. Das umgebende Gewebe wächst dagegen weiter. So entstehen Einkerbungen und Wülste, die allmählich zu Fiederblättchen heranwachsen.
Mehr dazu: Vielfalt im Blätterwald (PDF)

Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung

Es ist angerichtet

Haushaltsabfälle halten für viele Tiere echte Leckerbissen bereit. In der Regel werden sie jedoch in die Mülltonne entsorgt und sind für die Interessenten nur schwer zu erreichen. Doch manche Tiere entwickeln erstaunliche Fähigkeiten, wenn es um eine neue lukrative Nahrungsquelle geht: Schon vor einigen Jahren wurde in Sydney ein Gelbhaubenkakadu dabei beobachtet, wie er mit einer ausgefeilten Technik den schweren Deckel einer komplett geschlossenen Mülltonne öffnete. Wissenschaftlich stellte sich sofort die Frage, ob und wie sich dieses Verhalten unter den an der gesamten australischen Ostküste heimischen Vögeln ausbreiten würde. Praktischerweise haben Mülltonnen in ganz Australien ein einheitliches Design und so konnten Wissenschaftler*innen vom Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie gemeinsam mit australischen Kolleg*innen mithilfe von online-Umfragen verfolgen, wo die neue Technik auftauchte. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vögel das Verhalten tatsächlich durch Beobachten anderer Gelbhaubenkakadus in ihrer Umgebung lernen und dass dabei sogar regionale Subkulturen des Verhaltens entstehen.
Mehr dazu: Clevere Kakadus lernen voneinander

Video (zum Starten bitte ins Bild klicken)

Max-Planck-Institut für Verhaltensbiologie

Muskeln zeigen

Der kleinste findet sich im Mittelohr, der mächtigste im Gesäß: Im menschlichen Körper sorgen etwa 400 Skelettmuskel für Bewegung. Sie bestehen aus einzelnen Muskelfasern, die wiederum aus parallel angeordneten Fibrillen ̶ den Sarkomeren ̶ zusammengesetzt sind. Im Innern der Sarkomere sorgt die Wechselwirkung der Proteine Aktin und Myosin für Kontraktion und Entspannung des Muskels. Max-Planck-Forschenden ist erstmals ein 3D-Bild eines Sarkomers in fast atomarer Auflösung gelungen: Dafür haben sie isoliertes Muskelgewebe einer Maus bei -175°C schockgefroren und mit einem Ionenstrahl eine hauchdünne Lamelle herausgefräst. Im Elektronenmikroskop haben sie davon eine Bildserie erstellt, während die Probe schrittweise entlang einer Achse gekippt wurde. Durch Kombination der Einzelaufnahmen entstand dieses dreidimensionale Bild, das fast textilartig anmutet. Es zeigt erstmals kleinste Details der Muskelbewegung, etwa wie zwei Köpfchen desselben Myosins an einen Aktinstrang binden.
Mehr dazu: Scharfer Blick in die Muskelzelle

3D-Rekonstruktion aus Elektronenmikroskopie-Aufnahmen

Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie

Eine Welt - ein Meer

Die großen Strömungen und Umwälzbewegungen in den Meeren spielen für das Klimageschehen auf der Erde eine entscheidende Rolle. Riesige Mengen an Wärme werden hier transportiert. Das Video zeigt – ausgehend vom mächtigen Zirkumpolarstrom rund um die Antarktis – die großen Strömungsbewegungen in den Weltmeeren. Die sogenannte Spilhaus-Projektion ermöglicht dabei einen Blick auf die Weltkarte aus einer ungewohnten, einzigartigen Perspektive. Denn hier ist die globale Meeresströmung zwischen allen Ozeanbecken zu sehen, ohne dass künstliche Schnitte an der Datumsgrenze gemacht werden müssen. So wird klar, dass die Weltmeere in der Realität ein einziges großes Gewässer sind.
Die Grundlagen heutiger Klimamodelle und eben auch der Modelle zur Simulation der Ozeanströmungen und ihrer Wechselwirkungen mit der Atmosphäre wurden von Klaus Hasselmann, Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie und langjährigem Leiter des Deutschen Klimarechenzentrums, gelegt. Mit den von ihm entwickelten statistischen Methoden konnte erstmals belegt werden, dass der Klimawandel, den wir nun erleben, menschengemacht ist. Für seine Arbeiten wurde Klaus Hasselmann 2021 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Mehr dazu: Ein Blick zurück in die Zukunft (DKRZ)

Computersimulation / Spilhaus-Projektion

Max-Planck-Institut für Meteorologie

Hilfe von ganz oben

Die Basilica di Santa Maria di Campagna in Piacenza beherbergt eine der ehrwürdigsten Madonnenstatuen in Norditalien. Der kleinen, an sich eher unscheinbaren Statue wird die von Gott verliehene Fähigkeit zugeschrieben, Wunder zu vollbringen. Um die Verehrung des Kultobjekts zu bewahren und zu verstärken, wurde es in der Basilika spektakulär inszeniert: Die zentrale Kuppel, die die Madonna überragt, wurde im 16. Jahrhundert von Giovanni Antonio da Pordenone mit einer ausladenden Trompe-l'oeil-Vision des himmlischen Reiches ausgestaltet. Die Figuren auf den Fresken schaffen mit inbrünstigen Gesten nach unten wie nach oben eine Verbindung zwischen der Welt des Betrachters und Gottvater, der in der Laterne der Kuppel abgebildet ist. In ihrer Gesamtheit stellt die mit einer Vielzahl von Motiven üppig ausgestattete Kuppel (hier ist nur der obere Teil zu sehen) eine Feier der überbordenden Fülle der Natur dar, die hier der Verherrlichung der berühmten Madonna von Piacenza dient. Am KHI in Florenz untersucht Jason di Resta die Auswirkungen wundertätiger Artefakte auf die Produktion religiöser Malerei sowie die Selbstdarstellung von Künstlern in der frühen Neuzeit.

Il Pordenone, zentrale Kuppel, 1530–1532, Fresco. Piacenza, Santa Maria di Campagna.

Fotografie

Kunsthistorisches Institut in Florenz - Max-Planck-Institut

Das Brummen der schwarzen Löcher

Wenn schwarze Löcher miteinander verschmelzen, rasen Gravitationswellen durch die Raumzeit – und gehen bestenfalls ins Netz irdischer Detektoren. So auch am 12. April 2019, als LIGO in den USA und Virgo in Italien die Verschmelzung zweier sehr unterschiedlicher Schwerkraftfallen nachwiesen: Ein großes schwarzes Loch mit der 30-fachen Sonnenmasse verschlang ein kleineres mit der achtfachen Masse unseres Sterns. Die Beobachtung von GW190412, so die wissenschaftliche Bezeichnung dieses Ereignisses, erlaubte es, eine bisher ungetestete Vorhersage der Einsteinschen allgemeinen Relativitätstheorie zu verifizieren. Denn zum ersten Mal haben die Forschenden das Brummen einer höheren Harmonischen „gehört“ – ähnlich den Obertönen von Musikinstrumenten. In Systemen mit ungleichen Massen wie hier bei GW190412 sind diese Obertöne im Signal einer Gravitationswelle besonders laut. Das Video zeigt den wilden Tanz und schließlich die Vereinigung der beiden ungleichen schwarzen Löcher.
Mehr dazu: Gravitationswellen wie keine zuvor
Komplette Visualisierung der numerischen Simualtion (1:24 min) (YouTube)

Numerische Simulation

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Kosmischer Kreißsaal

Im Weltall wimmelt es von Planeten. Nahezu 5000 dieser Himmelskörper, die ferne Sterne umlaufen wie die Erde unsere Sonne, wurden bisher aufgespürt. Die meisten lassen sich nur indirekt nachweisen. Umso erstaunlicher ist das Kunststück, das einem Team unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie gelungen ist: Mit ALMA, dem Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array, haben die Forschenden nicht nur den Exoplaneten PDS 70c in rund 400 Lichtjahren Entfernung direkt aufgenommen, sondern zum ersten Mal auch eine Staubscheibe, die ihn umgibt. Diese zirkumplanetare Scheibe – zu sehen als kleines verwaschenes Fleckchen rechts der Mitte – besitzt etwa denselben Durchmesser wie die Entfernung von der Sonne zur Erde und hat genug Masse, um bis zu drei natürliche Satelliten von der Größe unseres Mondes zu bilden. Die Muttersonne PDS 70 ist ebenfalls von Staub umgeben. Diese Materie erscheint hier als zentrales Wölkchen, vor allem aber als große zirkumstellare Scheibe, die auf dem Foto einem Ring gleicht.
Mehr dazu: Die Geburt von Exomonden

Wie entstehen Planeten? Ausschnitt aus dem Podcast mit Miriam Keppler, Forschungsgruppenleiterin am MPI für Astronomie (bitte ins Bild klicken)
Kompletter Podcast (8:40 min): Im planetaren Kreißsaal

Teleskopaufnahme

Max-Planck-Institut für Astronomie

Adern fürs (neue) Herz

Künstliche Organe aus dem Labor sind eine der großen Zukunftsvisionen in der Medizin. Doch um funktionsfähige Gewebe zu erzeugen muss es auch gelingen, darin Gefäße wachsen zu lassen. Nur so lässt sich die Versorgung sicherstellen. Max-Planck-Forschenden ist es nun gelungen, in einem künstlichen Hydrogel funktionierende Gefäßsysteme anzulegen. Dafür stechen sie mit einer Akupunkturnadel zwei parallel verlaufende Kanäle in das Gel. In dem einem Kanal säen sie Endothelzellen aus, die auch in natürlichen Geweben die Blutgefäße auskleiden. Nach etwa einem Tag formen diese Zellen ein funktionsfähiges Gefäß. Durch den zweiten Kanal schicken die Wissenschaftler einen Cocktail aus Wachstumsfaktoren, der die Endothelzellen (hier erkennbar an ihren pink angefärbtenZellkernen) dazu bringt, in das umgebende Gel einzuwandern. Dort bilden sie neue Gefäße aus, die hier im Versuch von gelb fluoreszierenden Kügelchen durchströmt werden.
Mehr dazu: Künstliches Gewebemodell

Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für molekulare Biomedizin

Die Zacken der Krone

Corona-Viren wie SARS-CoV-2 tragen auf ihrer Oberfläche weit abstehenden, charakteristische Proteinstrukturen. Diesen „Spikes“ verdankt die gesamte Virusgruppe sogar ihren Namen (corona = Krone). Die Spike-Proteine spielen bei der Infektion eine entscheidende Rolle: Um eine Zelle zu befallen, muss das Virus seine Erbinformation in die Zelle einschleusen. Dazu bindet das Spike-Protein an einen genau passenden Rezeptor auf der Zelloberfläche. Erst dann kann das Virus mit der Zellmembran verschmelzen. Das Spike-Protein ist daher auch ein wichtiger Ansatzpunkt für die Entwicklung von Impfstoffen und Medikamenten gegen Covid-19. Max-Planck-Wissenschaftler*innen haben herausgefunden, dass der „Stiel“ der Spike-Struktur erstaunlich flexibel ist. Auch die Ketten aus Zuckermolekülen (hier grün), die die Spike-Proteine vor dem Immunsystem schützen, “flattern“ hin und her und können so eine viel größere Fläche abdecken – ähnlich wie bei einem Scheibenwischer.
Mehr dazu: Corona-Spike-Protein ist flexibler als gedacht

Computersimulation

Max-Planck-Institut für Biophysik

Ins Blaue hinein

Photokatalysatoren nutzen die Energie des Lichts, um verschiedene chemische Reaktionen zu katalysieren. Sie ermöglichen es beispielsweise, Wasser mithilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Um nachhaltige Katalysatoren zu entwickeln, setzen Forschende für deren Synthese auf organische anstelle von metallbasierten Ausgangsstoffen. Die endgültige Struktur eines solchen Materials ist im Allgemeinen weniger definiert als diejenige von Metallen oder Metalloxiden und enthält mehr Defekte und Versetzungen. Zu sehen ist dies hier beim Photokatalysator Natrium-Poly(heptazinimid), kurz NaPHI. Die Transmissions-Elektronenmikroskopie ermöglicht es, den Materialaufbau im Nanobereich bis hinunter auf die Ebene einzelner Atome zu untersuchen. Die Aufnahme lässt eine geschichtete Struktur erkennen, wobei die Schichten nicht perfekt übereinander gestapelt sind, sondern in verschiedenen Winkeln gedreht. So entsteht der Eindruck einer gestrickten Schneeflocke.

Transmissions-Elektronenmikroskopie

Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Die Musik der Sonne

Die Sonne schwingt wie eine Glocke. Konvektive Bewegungen knapp unter ihrer Oberfläche regen Millionen akustischer Wellenmoden mit Perioden von etwa fünf Minuten an. Erdgebundene Teleskope und Weltraumobservatorien beobachten diese für einen solch riesigen stellaren Gasball schnellen Schwingungen schon seit Mitte der 1990er-Jahre. Die Helioseismologie nutzt deren Eigenschaften, um etwas über die innere Struktur und Dynamik der Sonne zu erfahren. Vor kurzem hat ein Team des Max-Planck-Instituts für Sonnensystemforschung und der Universität Göttingen nun neue Arten globaler Schwingungen mit sehr langen Perioden entdeckt – sie entsprechen etwa der 27-tägigen Rotationszeit unseres Zentralgestirns. Diese Schwingungen zeigen sich an der Sonnenoberfläche als riesige Wirbelbewegungen mit Geschwindigkeiten von rund fünf Kilometern pro Stunde. Die Forschenden vergleichen ihre Daten mit den Ergebnissen von Computermodellen. . In der Animation werden die langperiodischen Schwingungen in den hörbaren Bereich verschoben und sind so als Brummen zu hören.
Mehr dazu: Die Sonne sendet tiefe Töne

Computersimulation

Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung

Fatale Fehler in 3D

Proteine sind die Werkzeuge unserer Zellen – sie führen alle lebenswichtigen Aufgaben aus. Das können sie jedoch nur, wenn sie sich richtig falten und ihre jeweilige, ganz spezielle 3D-Struktur einnehmen. Damit dabei nichts schiefgeht, wird dieser Vorgang in der Zelle streng überwacht. Wie weitreichend die Folgen einer fehlerhaften Qualitätskontrolle sein können, zeigt sich etwa bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, bei denen falsch gefaltete Proteine im Gehirn abgelagert werden. Dieses Bild zeigt Zellen, die teilweise die Alzheimer-Krankheit nachbilden und so den Wissenschaftler*innen als Modell dienen können. In Lila sind die für Alzheimer typischen Ablagerungen von fehlgefalteten Proteinen zu sehen. Die Zellkerne sind blau angefärbt. Um die Krankheit im Detail untersuchen zu können, haben die Forschenden einen speziellen Sensor entwickelt, der anzeigt, wenn die Qualitätskontrolle einer Zelle überlastet ist und die Zelle nicht alle falsch gefalteten Proteine entsorgen kann. Dann verklumpt das Sensor-Protein und ist im Mikroskopbild deutlich in Form grüner Punkte zu erkennen.

Fluoreszenzmikroskopie

Max-Planck-Institut für Neurobiologie

Make Art, not Money

Italien in den 1970er-Jahren: Die Protestbewegung, die als Kapitalismuskritik der Studierenden begonnen hatte, verändert ihr Gesicht. Der Protest richtet sich nun zunehmend gegen die gesamte bürgerliche Gesellschaft. Die „Gegenkultur“ bricht mit allen Handlungsmustern, auch mit dem Erbe der ´68er. Erklärtes Ziel ist es, eine neue Kreativität auf die Straße, in die Schulen und Universitäten zu bringen. Einer der wichtigsten Protagonisten der visuellen Gegenkultur in Italien ist Pablo Echaurren – als Künstler wie auch als Chronist. Er etabliert eines der bedeutendsten Archive von Dokumenten zum politischen und künstlerischen Schaffen nach 1968. Zur Sammlung gehören Fanzines, Flugblätter, Zeichnungen, Manuskripte, Fotos und vor allem Zeitschriften wie Oask?!, die heute fast unauffindbar sind. Im Video gibt der Künstler und Zeitzeuge Einblicke in ein Schlüsseljahrzehnt der zeitgenössischen Geschichte Italiens.

Video: Zeitzeugen-Interview mit vielen Fotodokumenten
Mehr dazu: Pablo Echaurren und die Jahre der Gegenkultur - vollständige Fassung (19:43 min) (vimeo)

Bibliotheca Hertziana - Max-Planck-Institut für Kunstgeschichte

Weit mehr als nur niedlich

Statt Ochs und Esel stehen im Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen Alpakas im Stall – und das nicht nur zu Weihnachten. Eine besondere Eigenschaft ihres Bluts macht sie für die Wissenschaft (und perspektivisch für die Medizin) so interessant. Kommt ein Alpaka mit fremdem Proteinen, z.B. Krankheitserregern, in Kontakt, werden in seinem Blut Antikörper gegen dieses Protein gebildet. So weit, so gewöhnlich. Doch Alpakas können mehr: Sie bilden noch eine zweite Sorte von Antikörpern, die viel kleiner und einfacher gebaut sind. Und die im Labor noch weiter vereinfacht werden können, zu sogenannten Nanobodies. Diese haben alle von den Forschenden gewünschten Eigenschaften der ursprünglichen Antikörper, sind aber viel einfacher, schneller und auch mit besseren Resultaten einsetzbar, z.B. bei der Markierung von Krebszellen. Vor allem aber können einmal etablierte Nanobodies mithilfe von Bakterien in großen Mengen hergestellt werden. Die Alpakas werden also nur für eine Impfung und eine Blutspende benötigt, alles weitere passiert im Labor. Wie sich vor kurzem gezeigt hat, sind Alpaka-Nanobodies auch als Medikament gegen Covid-19 sehr vielversprechend.
Mehr dazu: Nanobodies stoppen SARS-CoV-2

Alpaka-Nanobodies gegen Corona. Ausschnitt aus dem Podcast mit Dirk Görlich, Direktor am MPI für biophysikalische Chemie (bitte ins Bild klicken)
Kompletter Podcast (15:35 min): Alpaka-Nanobodies gegen Sars-CoV-2
Wie werden Alpaka-Nanobodies hergestellt? Video „Miniantikörper von Alpakas“ (10:25 min) (Youtube)

Fotografie

Max-Planck-Institute für biophysikalische Chemie

Schlag auf Schlag

In der Natur haben sich verschiedene Bewegungsmechanismen herausgebildet, darunter der Antrieb durch winzige haarähnliche Strukturen. Diese sogenannten Zilien und Geißeln führen peitschenartige Bewegungen aus, um die Fortbewegung zu ermöglichen. Anordnungen von Flimmerzellen mit Zilien auf ihrer Oberfläche arbeiten zusammen, um etwa Schadstoffe aus unseren Atemwegen hinauszubefördern. Nicht zuletzt treibt das regelmäßige Schlagmuster der Flimmerhärchen und Geißeln auch Spermien oder Mikroorganismen wie die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii an. Das Bild zeigt experimentelle Formen einer Geißel, die aus C. reinhardtii isoliert und mit ATP, der universellen Speicherform für Energie in Zellen, reaktiviert wurden. Die etwa ein hundertstel Millimeter kleine isolierte Geißel beginnt zu schwingen und dreht sich im Sichtfeld gegen den Uhrzeigersinn.

Mehr dazu: Video Bewegung einer isolierten Geißel von Chlamydomonas reinhardtii (YouTube)

Grafische Darstellung des Bewegungsmusters einer Geißel anhand von Mikroskopiedaten

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Geburtstagsständchen en miniature

Der erste Blick täuscht, denn anders als vielleicht zunächst vermutet hat dieses Bild keinen Bezug zur Astronomie, und es zeigt auch kein Silvesterfeuerwerk. Zu sehen ist vielmehr die schillernde Vielfalt an Aerosolpartikeln, die beim Summen von „Happy birthday to you“ im Atemtrakt entstehen und ausgestoßen werden. Diese Partikel wurden hier gesammelt und leuchten im Dunkelfeldmikroskop in Abhängigkeit ihrer Größe und ihres Streuvermögens in unterschiedlichen Farben und Helligkeiten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemie haben gemeinsam mit einem Team am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation die Struktur und die chemische Zusammensetzung solcher Aerosolpartikel im Sub-Mikrometerbereich untersucht. Technisch wurden dabei Röntgenmikroskope mit Synchrotronstrahlung eingesetzt. So gewinnen die Wissenschaftler grundlegende Erkenntnisse, die helfen sollen, die aerogene Verbreitung von Erregern wie SARS-CoV-2 zu verstehen und Maßnahmen zum Infektionsschutz zu verbessern.
Mehr dazu: Synchrotrons beschleunigen Corona-Forschung

Dunkelfeldmikroskopie

Max-Planck-Institut für Chemie

Das All auf Erden

Den Weltraum ins Labor holen – mit dem ultrakalten Speicherring CSR ist genau das ein Stück weit gelungen. Die weltweit einzigartige Maschine am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg dient dazu, Strahlen von atomaren oder molekularen Ionen zu speichern und auf extrem tiefe Temperaturen von weniger als -263°C abzukühlen. Forschende können damit realistische Weltraumbedingungen nachbilden, etwa um zu untersuchen, wie im Universum organische Moleküle entstehen. Eines der Instrumente im Speicherring ist das Tieftemperatur-Reaktionsmikroskop CSR-REMI, das eigens für den CSR entwickelt und am Heidelberger Institut konstruiert und gefertigt wurde. Es ermöglicht grundlegende Untersuchungen zur Quantendynamik durch Stöße der gespeicherten Ionen mit Atomen, Molekülen oder Elektronen. Das Bild zeigt das Anschlussfeld für die Kabel des CSR-Reaktionsmikroskops.

Digitale Fotografie

Max-Planck-Institut für Kernphysik

Grenzen ausloten

Implantate in der Medizin bestehen häufig aus Titan. Doch selbst bei diesem sehr biokompatiblen Material kommt es unter Belastung immer wieder zu Ermüdungsbrüchen. Grund sind häufig winzige Verunreinigungen, die sich entlang sogenannter Korngrenzen ablagern – also dort, wo Bereiche unterschiedlicher Kristallausrichtung aufeinandertreffen. Das Bild zeigt als leuchtendes Band Eisenatome, die entlang einer solchen Korngrenze in Titan abgeschieden wurden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Eisenforschung untersuchen die atomare Struktur von Korngrenzen in unterschiedlichen Metallen unter dem Transmissionselektronenmikroskop. Indem sie ihre Beobachtungen mit den jeweiligen Materialeigenschaften vergleichen, können sie erklären, warum Korngrenzen in bestimmten Materialien versagen. Ziel ist es, stärkere und sicherere Materialien für medizinische Implantate zu entwickeln.

Transmissionselektronenmikroskopie

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Im Spiegel seiner Bücher

Leonardo da Vinci, geboren im Jahr 1452 in der Toskana, gilt als Universalgenie. Nicht nur als Maler und Bildhauer, auch als Architekt, Anatom, Naturwissenschaftler und Ingenieur machte er sich einen Namen. Diese vielfältigen Begabungen fanden ihren Niederschlag auch in einem nahezu unbändigen Wissensdurst – und so nannte er auch eine umfangreiche Bibliothek mit fast 200 Büchern sein eigen. Heute gibt es nur noch ein einziges Buch, das möglicherweise Leonardo gehörte. Doch anhand der zahlreichen Notizen und Manuskripte von Leonardo selbst, in denen er oft auf Bücher in seinem Besitz Bezug nimmt, konnten Wissenschaftler*innen seine Bibliothek rekonstruieren. Und nicht nur das: In einer Ausstellung wurden zahlreiche zeitgenössische Ausgaben der Bücher zusammengetragen. Zusammen mit Reproduktionen von Codices, Kunstwerken und Objekten gewähren sie den Besucher*innen einen Einblick in „Leonardos intellektuellen Kosmos“.
Mehr dazu: Virtuelle Ausstellung

Bild: Ptolemaeus, Claudius. Cosmographia. Herausgegeben von Nicolaus Germanus und übersetzt von Jacobus Angelus. Ulm: Johann Reger für Justus de Albano, 1486.

Fotografie

Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte

Ein Babybild des Weltalls

Unmittelbar nachdem das All vor 13,8 Milliarden Jahren auf die Welt kam, schwappte eine „Suppe“ aus atomaren Teilchen durch Raum und Zeit. Für einige hundert Millionen Jahre lag das Universum in tiefer Finsternis. Doch dann gingen buchstäblich die Lichter an – die ersten Sterne und Galaxien wurden geboren. Ihre intensive UV-Strahlung verwandelte neutrales Wasserstoffgas, das zwischen den Milchstraßensystemen waberte, in ein hochionisiertes Plasma. Obwohl diese kosmische Reionisation sehr eng mit der Galaxienentstehung zusammenhängt, wurden beide Prozesse bisher meist getrennt voneinander untersucht. Mit Computersimulationen hat ein Team unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik nun die Babyphase des Kosmos nachgestellt. Dabei haben die Forschenden verschiedene bestimmte physikalische Eigenschaften berücksichtigt. So zeigt das Bild in einem Ausschnitt aus der Hauptsimulation dieses Thesan genannten Projekts sechs verschiedene Größen: Dichte, Temperatur, Metallgehalt, Staub, Gas und Strahlung (von oben links, im Uhrzeigersinn).

Mehr dazu: Galaxienentstehung und Reionisation in den Thesan-Simulationen

Computersimulation

Max-Planck-Institut für Astrophysik

Flüssiger Magnetismus

Diese Simulation öffnet in gewisser Weise ein Fenster in eine andere Welt: Forschende des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme haben berechnet, wie sich eine Spinflüssigkeit nachweisen lassen könnte. In Spinflüssigkeiten interagieren die Spins, die jedem Atom ein magnetisches Moment geben, stark miteinander, ähnlich wie in einem Ferromagneten. Anders als in letzterem bilden sie dabei aber keine feste Ordnung, sondern bewegen sich ständig. Theoretischen Überlegungen zufolge sollten Spinflüssigkeiten durch einige Materialien schwappen, sie wurden experimentell bislang jedoch nicht eindeutig nachgewiesen. Das Max-Planck-Team hat nun simuliert, welche Signatur ein bestimmter Typ von Spinflüssigkeiten in der Neutronenstreuung hinterlassen würde. Mit dieser Methode lässt sich die magnetische Struktur eines Materials aufklären. Bei der Simulation des Streubildes verwendeten die Forschenden ein Modell, das mathematisch mit der Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen oder Grundkräfte der Physik (dazu gehört z.B. der Elektromagnetismus) verwandt ist. Das entwickelte Modell gilt in unserer Welt jedoch nur für Spinflüssigkeiten. In einem anderen Universum mit anderen physikalischen Gesetzen könnte es jedoch die Wirkung der Grundkräfte beschreiben. Insofern bieten Spinflüssigkeiten Einblicke in die Physik möglicher anderer Welten.

Computersimulation

Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme

Licht ins dunkle Universum

Ungefähr 95 Prozent des Alls liegen buchstäblich im Dunklen. Nur der magere Rest besteht aus Materie, wie sie in Sternen, Planeten und auch in uns Menschen steckt. Ein Weltraumteleskop soll nun die Finsternis erhellen: Das nach einem griechischen Mathematiker benannte europäische Observatorium Euclid wird Ende 2022 starten und die dunklen Seiten des Alls studieren. An Bord sind ein optisches Teleskop mit einem Durchmesser von 1,2 Metern, ein Infrarot-Spektrometer (VIS) sowie ein Infrarot-Fotometer (NISP). Über die sechsjährige Missionszeit hinweg wird VIS im sichtbaren Licht die Form der Galaxien am Himmel beobachten; NISP, dessen Optik am Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik federführend entwickelt und gebaut wurde, soll die Entfernung von Milchstraßensystemen messen. Aus all diesen Informationen lassen sich dann Rückschlüsse auf Dunkle Materie und Dunkle Energie ziehen. Übrigens sind die Linsen für NISP mit Durchmessern von etwa 20 Zentimetern (Bild) die größten und bei Weitem präzisesten Optiken, die jemals in einem zivilen Satelliten zur Erforschung des Kosmos eingesetzt wurden.
Mehr dazu: Scharfe Augen für EUCLID

Fotografie

Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik

Bunt und facettenreich

Viele Feststoffe sind Kristalle, deren Atome oder Moleküle regelmäßige Gitter bilden. Vor allem in Metallen finden sich jedoch oft Bereiche, in denen die Kristallgitter unterschiedliche Ausrichtungen haben. Dies beeinträchtigt die elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Materialforscher*innen züchten daher spezielle Einkristalle, in denen die Kristallebenen überall gleich orientiert sind. Das Bild zeigt ist einen Schnitt durch einen solchen Vanadium-Einkristall. Die unterschiedlichen Farben geben Bereiche wieder, in denen alle Atome in einer Ebene liegen. Die Höhenunterschiede sind dabei allerdings minimal: Die Stufenhöhe beträgt etwa 0,2 Nanometer. Die Streifen auf den bunten Terrassen entstehen durch Sauerstoffatome, die bei der Aufreinigung des Kristalls an die Oberfläche wandern. Sie bilden eine sogenannte Überstruktur, die viele Defekte aufweist. Forschende machen aus der Not eine Tugend: Sie untersuchen genau diese Defekte, denn manche davon wechselwirken mit dem Vanadiumsubstrat. Indem sie diese Wechselwirkungen in normal- und supraleitenden Substraten vergleichen, gewinnen sie wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Supraleiter.

Rastertunnelmikroskopie

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Botschaften aus der Unfreiheit

Der spätgotische Palazzo Chiaramonte in Palermo, seit 1446 auch Lo Steri (Festungspalast) genannt, hat eine wechselvolle Geschichte. Im 17. und 18. Jahrhundert war er der Sitz des spanischen Inquisitionsgerichts und seiner Gefängnisse. Menschen verschiedenster Religionen und Herkunft waren dort inhaftiert. Die Wände der Zellen sind mit Zeichnungen nahezu bedeckt, teilweise in mehreren Schichten. Neben religiösen Darstellungen finden sich auch Karten und Inschriften in vielen Sprachen, unter anderem Italienisch, Sizilianisch, Hebräisch, Latein und Englisch. Unser Bild zeigt die – auch heute vor allem in der Ostkirche noch sehr bedeutende – Ikonographie des Abstiegs Christi in die Unterwelt: Christus errettet die Seelen der Gerechten, hier verkörpert durch die Patriarchen des Alten Testaments, aus dem Rachen des Leviathan, des biblischen Ungeheuers, das die Sünder verschlingt. Das KHI-Projekt Graffiti Art in Prison (GAP) befasst sich sowohl mit historischen als auch zeitgenössischen Gefängnisgraffiti und Wandmalereien, und stellt Bezüge her mit anderen Orten der Unfreiheit, Inhaftierung, Entbehrung und Zensur wie Konzentrationslagern oder auch psychiatrischen Kliniken.

Fotografie

Kunsthistorisches Institut in Florenz - Max-Planck-Institut