Soft-Matter Research for Society: The European Network of Excellence SoftComp

Weiche Materie ist aus unserem täglichen Leben nicht wegzudenken und birgt ein hohes Innovationspotential. Um die multidisziplinäre europäische Forschung auf diesem Gebiet zusammenzuführen und zu stärken, haben sich 2004 zunächst 29 Gruppen aus wissenschaftlichen Institutionen und europäischen Unternehmen in dem europäischen Exzellenznetz "Soft Matter Composites - An approach to nanoscale functional materials" (SoftComp) zusammengeschlossen. Es wurden dauerhafte gemeinsame Strukturen geschaffen, sowohl im Bereich wissenschaftlicher Infrastruktur als auch für den Austausch von Wissen.

SoftComp-Know-how hilft beispielsweise bei der Entwicklung von Biosensoren für medizinische Zwecke oder von Benzin sparenden Autoreifen mit verringertem Rollwiderstand. Die Jülicher Partner am Institut für Festkörperforschung (IFF) arbeiten zum Beispiel an umweltfreundlichen Reinigern für die Druckindustrie oder erforschen das Strömungsverhalten roter Blutkörperchen. Die bisherige Arbeit des Forschungsverbunds und die Perspektiven für die kommenden Jahre dokumentiert die Broschüre.

ER-C-Broschüre: überarbeitete Auflage 2009

Mit dem Ernst Ruska-Centrum (ER-C) betreiben das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen seit Januar 2004 ein Kompetenzzentrum für atomar auflösende Elektronenmikroskopie und -spektroskopie auf international höchstem Niveau. Das ER-C entwickelt wissenschaftlich-technische Infrastruktur und Methoden für die Materialforschung von heute und morgen und ist das erste nationale Nutzerzentrum für höchstauflösende Elektronenmikroskopie. Es gewährleistet Forschern aus Wissenschaft und Industrie den Zugang zu den leistungsfähigsten Elektronenmikroskopen unserer Zeit und ist Garant für kompetente Betreuung.

Auf 14 Seiten bietet diese Broschüre Einblick in das Profil des ER-C. Eigene Forschungsprojekte werden ebenso vorgestellt wie das Angebot zugunsten externer Nutzer. Ein Fokus liegt auf der allgemeinverständlichen Darstellung der Herausforderungen, welche die moderne Mikroskopie im Grenzbereich des elektronenoptischen Auflösungsvermögens mit sich bringt.

BioSoft Report 2008

BioSoft - Biophysik & Weiche Materie

Makromoleküle bestehen aus hunderten bis tausenden von Atomen und haben viele so genannte "emergente" Eigenschaften, die in kleinen Molekülen nicht vorkommen. Bekannte Beispiele für Makromoleküle sind lineare Polymere, die sich aus einer einzelnen oder mehreren Arten von Bausteinen zusammensetzen. Sogar mit einfachen synthetischen Polymeren, die typischerweise aus identischen Monomeren bestehen, lassen sich komplexe Materialeigenschaften gezielt erreichen, die zum Beispiel von der Länge der Polymere abhängen , der Art der Bausteine, möglichen Vernetzungen und der potentiellen Kombination mit anderen Polymeren. Höchstfortgeschrittene Methoden, die oftmals Großeinrichtungen erfordern, werden zur Untersuchung ihrer faszinierenden Eigenschaften genutzt. Auch die Moleküle des Lebens, Nukleinsäuren und Proteine, sind lineare Kettenmoleküle, die aus vier bzw. 20 verschiedenen Bausteinen in einer strikt definierten linearen Abfolge bestehen. Daher ist es offensichtlich, dass biologische Makromoleküle viel komplexere Eigenschaften haben und deren Untersuchung die fortgeschrittensten und - aufgrund von Produktionsgrenzen - die genauesten verfügbaren Methoden erfordert. Viele interessante Eigenschaften von Makromolekülen basieren auf ihren komplexen Wechselwirkungen untereinander. Dies gilt insbesondere für die extrem spezifischen Wechselwirkungen zwischen Proteinen.

Die Biophysik und die Physik der weichen Materie beschäftigen sich mit der qualitativen und quantitativen Beschreibung der Struktur und Dynamik von komplexen Makromolekülen und ihrer Organisation auf verschiedenen Ebenen bis hin zu lebenden Zellen.

IFF Ergebnisbericht 2008

Der jährliche Ergebnisbericht soll die internationale wissen-schaftliche Gemeinschaft, einschließlich unseres wissenschaft-lichen Beirats und der Helmholtz-Gemeinschaft, über die Forschungsaktivitäten des IFF während des vergangenen Jahres informieren. Wir haben versucht, einen typischen Querschnitt durch die Forschungen am IFF darzustellen. Den Rahmen definieren die Helmholtz-Forschungsprogramme "Kondensierte Materie", "Informationstechnologie mit nanoelektronischen Systemen" und "Großgeräte für die Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen".

Titelbild links: Aberrationskorrigierte transmissionselektronen- mikroskopische Abbildung einer dünnen Schicht des ferroelektrischen Relaxors Ca0.28Ba0.72Nb2O6 auf einem SrTiO3-Substrat (Falschfarben-Abbildung). Sowohl der amorphe Bereich links als auch die komplexe Materialstruktur werden klar aufgelöst.

Titelbild rechts: Das Strömungsverhalten roter Blutkörperchen in Mikrokapillaren wird bestimmt durch die Deformierbarkeit der Zellen, ihre hydrodynamischen Wechselwirkungen sowie thermisch verursachte Wellenbewegungen der Zellmembranen. Diese Mechanismen wurden in silico untersucht. Modernste Computers- imulationen sagen bei physiologischen Hämatokrit-Werten drei verschiedene Phasen voraus.

Persistent Identifier: urn:nbn:de:0001-00462

Peter Grünberg: Nobelpreis für Physik 2007

Aus dem Vorwort: "Das Jahr 2007 war für das Forschungszentrum Jülich und Prof. Peter Grünberg von besonderer Bedeutung. Mit dem vorliegenden Buch wollen wir ihn ehren und ihm danken für seine Entdeckungen, die er hier in Jülich gemacht hat. Der so genannte GMR-Effekt ("Riesenmagnetowiderstand") wurde von ihm im Jahre 1988 im Rahmen von Grundlagenuntersuchungen zum Magnetismus gefunden. Ein darauf beruhender Lesekopf für Festplatten fand sehr schnell Eingang in die industrielle Anwendung. Seit 1997 wird nahezu ausschließlich der GMR-Effekt zum Auslesen der magnetisch gespeicherten Information auf den Festplatten verwendet. Mit über 5 Milliarden hergestellten Leseköpfen gibt es inzwischen statistisch einen GMR-Sensor für fast jeden Erdenbürger."
Aus dem Inhalt: Ein Besuch bei Peter Grünberg; von der Grundlagenforschung zu vielfältigen Anwendungen; das Laborbuch (1985); Preise, Ehrungen, Lebensdaten; das Forschungszentrum Jülich und das JuLab

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Persistent Identifier: urn:nbn:de:0001-00485

IFF Ergebnisbericht 2007

Jülicher und Hamburger Forscher haben herausgefunden, dass die Natur in dünnen Metallschichten eine magnetische Struktur gegenüber ihrem Spiegelbild bevorzugt. Das Titelbild links zeigt die homochirale magnetische Ordnung in einem Film von Mn-Atomen auf einer W(110)-Oberfläche. Der Film ist eine Atomlage dick. Die lokalen magnetischen Momente der Mn-Atome \u2013 dargestellt als rote und grüne Pfeile \u2013 sind zu ihren unmittelbaren Nachbaratomen antiferromagnetisch angeordnet. Auf größere Distanz betrachtet erkennt man ein Spiralmuster. Oben abgebildet ist eine linksdrehende cycloidale Spirale, die in der Natur so nachgewiesen wurde. Unten sieht man eine gespiegelte Abbildung, eine rechtsdrehende Spirale, die nicht existiert. Die Arbeit entstand in einer Zusammenarbeit des IFF und des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Hamburg. Die Ergebnisse wurden in Nature 447, p190 (2007), veröffentlicht.

Persistent Identifier: urn:nbn:de:0001-00493

IFF Ergebnisbericht 2006

IFF-Forscher haben eine Methode entdeckt, magnetische Strukturen in Rekordgeschwindigkeit durch einen äußeren Magnetfeldpuls umzupolen. Die Abbildung zeigt die Ausbreitung von Spinwellen als Teil des Umkehrprozesses.
In scheibchenförmigen Magneten mit einer Größe von einem Mikrometer kann sich die Magnetisierung spontan zu einem Wirbel anordnen. Der "Kern" der Wirbel hat einen Durchmesser von etwa zehn Nanometern. Die Magnetisierung ist dort senkrecht zur Wirbelebene ausgerichtet und zeigt in eine von zwei möglichen Richtungen. Dadurch und weil die Richtung der Magnetisierung äußerst stabil ist, eignen sich diese Strukturen prinzipiell für Anwendungen als binäre Datenspeicher. Verantwortlich für die hohe Stabilität ist die stärkste Kraft, die in solchen Magneten vorkommt, die so genannte "Austausch-Wechselwirkung". Wenn diese interne Kraft genutzt wird - das zeigen Computersimulationen - ist es möglich, die Magnetisierungsrichtung des Kerns umzukehren, ohne extrem starke Magnetfelder einzusetzen.

Persistent Identifier: urn:nbn:de:0001-00476

Auf 28 Seiten präsentiert das IFF seine Strategie, seine Kompetenzen in der Grundlagen- und anwendungsorientierten Forschung sowie seine Ausstattung. Wir berichten über Kooperationen und berufliche Perspektiven. Im Zentrum der Broschüre stehen sechs allgemeinverständliche Texte aus der aktuellen Forschung des IFF - mit Beiträgen aus unseren Teilinstituten. Hier werden Fragen beantwortet, warum Risse wachsen, wann Dieselkraftstoff winterfest wird, wie Kunststoffe fließen und was innovative Kommunikations- und Informationstechnologien bestimmt. Die Spintronik und Ergebnisse biophysikalischer Forschung werden vorgestellt; maßgeschneiderte Nanomaterialien, Membranen, Protonenleiter für Brennstoffzellen und Sensoren zur Herzfeldmessung präsentiert.

IFF Ergebnisbericht 2004 / 2005

Research reports

1. Condensed matter Electronic and Magnetic Phenomena From Matter to Materials Soft Matter and Biophysics

2. Information technology with nanoelectronic systems Magnetroelectronics and Spintronics THz-Electronics Hysteretic Oxide-Based Memories

3. Large scale facilities for research with photons,
   neutrons and ions

IFF Ergebnisbericht 2002 / 2003

Wenn eine dünne elastische Folie mit hohem Schermodul und geringer Biegesteifigkeit von einer externen Kraft "zerknittert" wird, sind die Drehungs- und Biegungsenergien nicht gleichmäßig verteilt, sondern bündeln sich zu lokalen Falten und konischen Versetzungen. Ein bekanntes Beispiel für ein solches Material ist Papier. Der "Zerknitterungsprozess" kann mit Computersimulationen sehr gut untersucht werden. Das Bild zeigt einen kreisförmigen Teil eines ursprünglich glatten, dünnen elastischen Bleches, das von einer konstanten, isotropen Kraft auf etwa ein Drittel seiner Originalgröße zusammengedrückt worden ist. Es hat sich ein typisches Faltenmuster gebildet, das hier im ebenen Referenzzustand abgebildet ist. Die Faltenschärfe wird durch Farbgebung angezeigt, wobei gelb eine fast glatte Fläche andeutet, blau auf schwach gekrümmte Bereiche hinweist und stark gekrümmte Falten rot gefärbt sind.

IFF Ergebnisbericht 2001 / 2002

Polarisierte Neutronenbeugung unter streifendem Einfall durch ein mit einer Nickelschicht überzogenen optischen Gitter. Die Daten wurde mit dem Reflektometer "HADAS" in der Neutronenleiterhalle ELLA am DIDO-Reaktor aufgezeichnet. Die Grafik zeigt die Zählrate im "up-up" Kanal (d.h. Streuung ohne Polarisationsänderung) in Abhängigkeit vom Einfallswinkel (Abszisse) und Austrittswinkel (Ordinate). Über die gesamte Polarisationsabhängigkeit können die strukturellen und magnetischen Beiträge abgetrennt werden und die magnetische Rauhigkeit und die Formanisotropie bestimmt werden.

IFF Ergebnisbericht 2000 / 2001

Atomare Ansicht eines einatomigen Films aus magnetischen Mangan-Atome, die auf eine (110)-orientierte Wolframoberfläche, Mn/W(110), aufgebracht sind. Die durch Pfeile und Farben angedeuteten magnetischen Momente sind schachbrettartig in einer antiferromagnetischen Ordnung "roter" und "grüner" Atome angeordnet. Die Mn-Atome sind chemisch und strukturell identisch und unterscheiden sich nur in der relativen Orientierung der magnetischen Momente. Die Gesamtmagnetisierung ist Null. Diese atomare magnetische Struktur kann mit einem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop (SP-STM) nachgewiesen werden.

IFF Ergebnisbericht 1999 / 2000

Topographie polierter (100)-Oberflächen verschiedener SrTiO3-Einkristalle, aufgezeichnet mittels Rasterkraftmikroskopie nach Wärmebehandlung bei Umgebungsdruck. Alle Oberflächen weisen im Vergleich zur Originalfläche vor der Wärmebehandlung dieselben charakteristischen Veränderungen auf. Es bilden sich stufenartige Terrassen und tropfenförmige Strukturen auf der Oberfläche aus.

IFF Ergebnisbericht 1998 / 1999

Atomansicht einer komplexen Anordnung von Zwillingsgrenzen im elektrokeramischen Werkstoff Bariumtitanat (BaTiO3). Das Pseudofarbbild zeigt die Phase einer quantenmechanischen Elektronenwellenfunktion, die numerisch aus einer Serie hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen rekonstruiert wurde. Im Gegensatz zu einem Bild ist die Interpretation der quantenmechanischen Phase unkompliziert, weil letztere frei ist von den durch das Beobachtungsgerät eingebrachten Abbildungsartefakten.

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