Materials Information Discovery

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Kurz und bündig

Im Topic „Materials Information Discovery“ nutzen Jülicher Wissenschaftler:innen die teilweise einzigartigen Instrumente am Ernst Ruska-Centrum um Materialien bis hinunter auf die Ebene der Atome hinsichtlich ihrer Struktur, ihren Defekten und inneren Grenzflächen, deren Einfluss auf die elektronische Struktur und weiteren Eigenschaften zu analysieren, und aus diesen Kenntnissen neue Materialien oder Materialkombinationen zu entwickeln. Hierzu verbinden sie unterschiedliche Techniken in korrelativen Ansätzen und entwickeln Methoden um die Funktionsweise Materialien in situ und operando unter ihren natürlichen Betriebsbedingungen zu beobachten. Aus den Ergebnissen entstehen eine umfangreiche Datenbank und digitale Zwillinge für Materialien. Sie bilden die Grundlage, um Materialeigenschaften und -kombinationen vorhersagen und verbessern zu können, sowie neue Synthesewege zu entdecken.

Hinzu kommen die neuen Aktivitäten im Bereich der Lebenswissenschaften, wo sich die Forscher:innen mit den Eigenschaften von wichtigen zellulären Strukturen, von den funktionellen Membranen bis hin zur Struktur von einzelnen Proteinen und ihrer Bedeutung für die Zellfunktion, aber auch für die Behandlung spezieller Krankheiten beschäftigen.

Herausforderungen

Mit der steigenden Komplexität von Materialien und Materialkonzepte müssen auch die Charakterisierungsverfahren weiterentwickelt werden und es werden neue Konzepte zur Steigerung der räumlichen, zeitlichen und spektroskopischen Auflösung benötigt. Die Ansprüche steigen auch weil neue Funktionalitäten und neues Prozessdesign durch die Kombination von biologischen und künstlichen Materialien geschaffen werden und diese auch immer größeren Ansprüchen an die Nachhaltigkeit genügen müssen.

Dies erfordert komplett neue Ansätze in der Materialforschung, in deren Zuge auch das Management und die Auswertung der immensen Datenmengen große Herausforderungen darstellen. Hier müssen zunehmend auch Methoden der künstlichen Intelligenz und des Datenaustausches auf internationaler Ebene zum Einsatz kommen.

Lösungen

Das am Forschungszentrum Jülich angesiedelte Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) hat die Aufgabe, Materialien bis hinunter auf die Ebene der Atome und Moleküle abzubilden, zu analysieren und die funktionalen Zusammenhänge im Bereich moderner Werkstoffe bis hin zu lebender Materie aufzudecken. Als nationale Forschungsinfrastruktur verfügt das Zentrum über weltweit einzigartige Elektronenmikroskope, welche die Jülicher Expert:innen gemeinsam mit Unternehmen und akademischen Partnern auch weiterentwickeln. So entwerfen sie im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts neue Instrumente welche noch tiefere Einblicke in den Aufbau der Materie, die dynamischen Prozesse und die Funktion in realen Anwendungen erlauben werden.

Mit Hilfe der hochempfindlichen Geräte und ihrem außerordentlichem Know-how entlocken die Jülicher Wissenschaftler:innen Werkstoffen und biologischen Proben Informationen, die detailreicher sind als alle bisher erhältlichen. Da geht es zum Beispiel um die Position und den chemischen Zustand einzelner Atome oder um Veränderungen im Aufbau der Stoffe, die sich innerhalb von wenigen Femtosekunden – dem billiardstel Teil einer Sekunde – abspielen. Solche detaillierten Einblicke ermöglichen es den Forschenden in Zusammenarbeit mit ihren Kollegen an den anderen beteiligten Helmholtz-Zentren, zügiger innovative Materialien – etwa für die Energiewende, künftige Informationstechnologien oder neue Medikamente – zu entwickeln.

Einige Beispiele sind: Bauelemente für zukünftige neuromorphe und Quantencomputer, Materialien für Wasserstofftechnologien, neuartige hochfeste, leichtgewichtige Materialien für Verkehr und Mobilität oder auch biologische Moleküle, ihre dreidimensionale Architektur und ihre Wechselwirkung mit künstlichen Oberflächen und natürlichen Strukturen.

Aufbauend auf den Ergebnissen der detaillierten Materialuntersuchungen ist das weitere Ziel der Jülicher Forschenden, eine umfangreiche Datenbank für Materialien zu erstellen. Diese bildet die Grundlage für digitale Zwillinge und somit die Möglichkeit, Materialeigenschaften vorherzusagen und zu verbessern. Daraus erhalten die beteiligten Wissenschaftler:innen an den kooperierenden Helmholtz-Zentren die Chance, neue Materialkombinationen und Synthesewege auf digitalem Wege zu entdecken und damit Technologieentwicklungen zu beschleunigen, welche uns helfen die großen Herausforderungen unserer Zeit zu meistern.