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Von fedrigen Wolken, seltenen Teilchen und verschlungenen Ketten

Jülicher Leibfried-Preis für populärwissenschaftliche Arbeiten vergeben

[16. September 2005]

Jülich, 16. September 2005 - Mit molekularen Entfesselungskünstlern, Nadeln im Heuhaufen und dem Leben einer Cirruswolke beschäftigten sich die diesjährigen Leibfried-Kandidaten aus dem Forschungszentrum Jülich: Alexander Mangold zum Thema "Cirruswolken", Peter Winter, der einem seltenen Teilchen-Paar auf der Spur war, und Michaela Zamponi, die sich mit fließenden Polymeren beschäftigte. 3000 Euro wurden Peter Winter zugesprochen. Über 2000 Euro freute sich Alexander Mangold, und 1000 Euro erhält Michaela Zamponi.

Aus dem Leben einer Cirruswolke
Mit fedrigen - aber gar nicht federleichten - Wolken in eiskalter Atmosphäre beschäftigte sich der Geoökologe Alexander Mangold in seiner Doktorarbeit. Wie entstehen Cirruswolken, und was bestimmt ihr Aussehen und ihre Lebensdauer? Cirruswolken haben einen großen Einfluss auf den Strahlungs- und Wärmehaushalt der Erde. Daher interessierte Wolkenforscher Mangold besonders, ob der Mensch mit seinen Aktivitäten die Häufigkeit und Art dieser Wolkenfamilie beeinflusst - und auf diesem Wege auch das Klima.

Cirruswolken (von lat. cirrus = Feder) entstehen in Höhen von etwa 7 bis 13 Kilometern bei eisigen Bedingungen bis zu minus 80 Grad Celsius. Daher bestehen Cirruswolken nur aus Eiskristallen. Anzahl und Größe dieser Eiskristalle entscheiden darüber, ob die Wolke dünn oder dick erscheint. Cirruswolken unterschiedlicher Dichte wirken abkühlend oder erwärmend auf die Erdoberfläche. Einerseits kann die Strahlung der Sonne von den Eiskristallen reflektiert werden, andererseits gelangt die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche durch dichte Wolken nicht ins All, sondern wird von den Eiskristallen zurückgestrahlt.

Alexander Mangold untersuchte das Leben einer Cirruswolke von ihrer Geburt bis zum Tod. Dazu musste er jedoch nicht in eisige Höhen aufsteigen. In einer großen Kammer im Forschungszentrum Karlsruhe können die Wissenschaftler ihre eigenen Wolken "nachbauen". Wichtige Bausteine sind dabei die Aerosole. Dies sind winzige, in der Luft schwebende Teilchen, beispielsweise Schwefelsäuretröpfchen oder Rußpartikel aus Flugzeugabgasen und Brandrodung. Ohne Aerosole entstehen keine Eiskristalle, denn diese bilden sich gerne dort, wo bereits ähnliche Strukturen vorkommen.

Alexander Mangold gab verschiedene Aerosolarten in die Eiskammer, unter anderem auch solche, deren Menge vom Menschen beeinflusst wird. Hierzu gehören Rußpartikel, wie sie bei Verbrennungsprozessen entstehen, aber auch Straßen- und Wüstenstaub, der durch ansteigende Wüstenbildung infolge des Klimawandels zunehmen kann. Der Wolkenforscher konnte zeigen, dass Ruß- und Staubpartikel sehr gerne und zu einem hohen Anteil Eiskristalle bilden und die Strahlungseigenschaften der Cirruswolke verändern. Zudem bilden sich die Eiskristalle - und damit die Wolken - bereits bei wärmeren Temperaturen.

Nadeln im Heuhaufen
Kleinsten "Nadeln im Heuhaufen" war Peter Winter in seiner Doktorarbeit auf der Spur. Dazu brauchte er ein sehr starkes "Mikroskop" und ein ebenso gutes Auge, denn die gesuchten Teilchen stammen aus dem subatomaren Bereich. Dies ist die Welt der Protonen, Neutronen und Quarks - den Bausteinen unserer Materie. Doch was genau hält unsere Materie zusammen, und wie ist sie in ihrem Innersten aufgebaut? Wie können positiv geladene Protonen in den Kernen auf engstem Raum zusammen bleiben, obwohl sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen? Dazu ist die starke Kraft nötig - eine der fundamentalen Kräfte neben der Gravitation, dem Elektromagnetismus und der schwachen Kraft.

Um die starke Kraft besser zu verstehen, lassen Experimentalphysiker stark wechselwirkende Teilchen, etwa zwei Protonen, miteinander reagieren. Dazu nutzen sie den Jülicher Teilchenbeschleuniger COSY (COoler SYnchroton), in dem Protonen auf etwa 90 Prozent Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dann mit anderen Protonen zusammenstoßen. Ähnlich wie ein Elektronenmikroskop die Strukturen eines Objekts sichtbar macht, ist COSY ein "Mikroskop" zur Visualisierung der starken Wechselwirkung. Bei Kollisionen entstehen ganz neue kurzlebige Teilchen. Eines der Teilchenpaare interessierte den Physiker Winter ganz besonders: das positive und negative Kaon. Sie sind die gesuchten "Nadeln im Heuhaufen", denn bei einer Million Kollisionen werden nur etwa zehn Kaonenpaare erzeugt. Das "suchende Auge" von COSY ist ein Teilchendetektor, mit dem die Teilchen "gewogen" und anschließend anhand ihrer bekannten Masse identifiziert werdenkönnen.

Aber nicht nur die Anzahl der Nadeln ist wichtig: Peter Winter nahm auch die Erzeugungswahrscheinlichkeit der Kaon-Teilchen unter die Lupe. Dazu musste er die absolute Anzahl aller stattgefundenen Proton-Proton-Stöße bestimmen, also die "Größe des Heuhaufens". Nach dieser langwierigen Auswertung stellte Peter Winter fest: Die Datenpunkte der Messungen liegen oberhalb jeglicher theoretischer Erwartungen. Hier sind nun die Theoretiker gefragt: Gibt es zusätzliche Wechselwirkungen zwischen Proton und Kaon oder beiden Kaonen? Erst wenn diese elementaren Wechselwirkungen richtig verstanden sind, können die Physiker auch komplexe Systeme wie Sterne besser begreifen, denn auch hier werden kurzlebige Teilchen erzeugt, und auch hier spielt die starke Kraft eine wichtige Rolle.

Polymere als Entfesselungskünstler
Ob Shampooflasche, Einkaufstüte oder CD - überall in unserem Alltag begleiten uns Polymere. So unterschiedlich die Endprodukte auch sind, eins haben diese langen Moleküle gemeinsam: Sie sind in der Schmelze viskoelastisch. Welche mikroskopischen Prozesse sich auf das viskoelastische Verhalten der Polymere auswirken, beispielsweise während ihrer Verarbeitung, ist nicht nur für Grundlagenforscher von großem Interesse. Um das geschmolzene Polymer in die richtige Form zu bringen, sind gute Fließeigenschaften wichtig. In der Schmelze verschlaufen sich die langen Polymere umeinander und bilden eine Art elastisches Netzwerk, wodurch sie jedoch in ihren Bewegungen einschränkt sind. Der Physiknobelpreisträger Pierre deGennes beschrieb diese räumliche Einschränkung mit Hilfe einer virtuellen Röhre, in der sich die Polymerkette bewegen kann, allerdings nur entlang ihrer Kontur. Wie eine Schlange kann die Kette jedoch aus der Röhre herauskriechen ("Reptation"). Die Verschlaufungen lösen sich, und das Polymer beginnt zu fließen.

In ihrer Doktorarbeit untersuchte Michaela Zamponi diesen Prozess auf molekularer Ebene. Dafür benutzte sie die Neutronen-Spinecho-Spektroskopie, bei der Neutronen tief ins Material eindringen können und an den Atomkernen des Polymers gestreut werden. Das Streumuster liefert Rückschlüsse auf die Struktur der Probe, die Geschwindigkeitsänderung der Neutronen verrät den Wissenschaftlern etwas über die Bewegungsprozesse der Polymerketten. Zudem werden unterschiedliche Isotope eines Elements unterschiedlich stark gestreut, so dass die Ketten mit schwerem Wasserstoff markiert werden können. So fand Michaela Zamponi heraus, dass sich lange lineare Polymere so bewegen wie von deGennes vorhergesagt. Mit abnehmender Kettenlänge konnten die Polymere sich jedoch freier bewegen, obwohl sie immer noch lang genug waren, um sich umeinander zu verhaken. Es muss also Prozesse geben, welche die Bewegungsbeschränkung durch dieRöhre aufheben. Mit gezielter Markierung der Polymere konnte die Physikerin zeigen, dass sich die Kettenenden in die Röhre zurückziehen können. Die dann leeren Röhrenstücke an den Enden werden sozusagen "vergessen", so dass sich die Kettenenden anschließend in eine beliebige Richtung weiterbewegen können. Dies führt mit der Zeit ebenso zu einer immer größeren Freiheit der Kette, wie auch die Auflösung der Röhre selbst, deren Elemente - benachbarte Polymere - sich ebenfalls fortbewegen und somit die Röhre auflösen können.

Zum Günther-Leibfried-Preis des Forschungszentrums Jülich
Mit dem Günther-Leibfried-Preis werden jedes Jahr drei Doktoranden ausgezeichnet, die es verstehen, ihre Forschungsergebnisse verständlich darzustellen. Der seit 1990 verliehene Preis erinnert an Professor Dr. Günther Leibfried, der lange Jahre Direktor am Jülicher Institut für Festkörperforschung war. Der engagierte Professor war maßgeblich am Aufbau des Forschungszentrums beteiligt und verstand es durch seine lebendige Art, Forschungsthemen zu vermitteln. Jedes Jahr wählt eine Jury aus den schriftlichen Wettbewerbsbeiträgen der Nachwuchswissenschaftler drei Arbeiten für das mündliche "Finale" aus.


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v.l.n.r.: Prof. Dr. Rudolf Maier, Alexander Mangold, Michaela Zamponi, Peter Winter und Prof. Dr. Joachim Treusch.

Foto: Forschungszentrum Jülich


Pressekontakt:

Annette Stettien
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
52425 Jülich
Tel. 02461 61-2388, Fax 02461 61-4666
E-Mail: a.stettien@fz-juelich.de


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