Enzyme sind in der Lage, synthetisches Polyisopren abzubauen. Die richtigen Bedingungen dafür haben nun Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und des Leibniz-Instituts für Pflanzenbiochemie (IPB) geschaffen. Polyisopren ist Hauptbestandteil von Naturkautschuk und von vielen Gummisorten, die beispielsweise auch in Autoreifen genutzt werden. Bislang konnte nur Polyisopren abgebaut werden, das dem natürlich vorkommenden sehr ähnlich ist. Die Forschung könnte wichtige Erkenntnisse auf dem Weg in Richtung Kreislaufwirtschaft liefern. Die Studie erschien im Fachjournal "Green Chemistry".

Naturkautschuk wird für die Gewinnung von Polyisopren verwendet, aus dem viele Gummi- und Kunststoffsorten bestehen. Polyisopren ist ein langkettiges Molekül, das durch Verknüpfung von Hunderten bis Tausenden kleinerer Isoprenmoleküle entsteht. "Verschiedene Bakterien sind in der Lage, natürliches Polyisopren mit Hilfe von Enzymen abzubauen", sagt der Chemiker Vico Adjedje von der MLU. Da der weltweite Bedarf an Gummiprodukten größer ist, als durch Naturkautschuk gedeckt werden kann, wird der Ausgangsstoff auch künstlich hergestellt. Die natürliche und die synthetische Variante haben ähnliche Eigenschaften, unterscheiden sich aber zum Teil in der Struktur der Moleküle, aus denen sie aufgebaut sind.

Die Gruppen von Prof. Dr. Wolfgang Binder an der MLU und Jun.-Prof. Dr. Martin Weissenborn vom IPB und der MLU haben nun einen Weg gefunden, künstlich hergestelltes Polyisopren mit Hilfe des Enzyms LCPK30 zu zersetzen. "Wir sind die ersten, denen es gelungen ist, das Polyisopren in eine Darreichungsform zu bringen, mit der das Enzym auch arbeiten kann", sagt Binder. Dabei haben sich die Forscher von der Natur inspirieren lassen: "Unsere Vermutung war, dass synthetisches Polyisopren in einer Emulsion vorliegen sollte, damit das Enzym richtig arbeiten kann", so Adjedje. Die Ergebnisse geben auch wichtige Anstöße in Richtung Kreislaufwirtschaft. "Wir könnten die Abbauprodukte weiterverarbeiten zu Feinchemikalien und Duftstoffen - oder wieder neue Kunststoffe herstellen", erklärt Binder.

Ein neuer Algorithmus soll dabei helfen, bislang unbekannte Materialverbindungen auszumachen. Entwickelt wurde er von einem Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Universität Lund in Schweden. Die Forscher konzipierten eine Künstliche Intelligenz (KI), die auf maschinellem Lernen basiert und komplexe Berechnungen binnen kürzester Zeit durchführen kann. Auf diesem Weg konnte das Team bereits mehrere Tausend neue mögliche Verbindungen am Computer beschreiben. Die Studie erschien im Fachjournal "Science Advances".

Anorganische Materialien spielen für den Menschen eine große Rolle: Sie sind zum Beispiel die Grundlage für Solarzellen oder neue Entwicklungen der Halbleiterelektronik, die in technischen Geräten zum Einsatz kommt. Etwa 50.000 stabile anorganische Verbindungen sind heute bekannt. "Es gibt aber noch deutlich mehr, die theoretisch existieren könnten - wenn man sie künstlich herstellt", sagt der Physiker Prof. Dr. Miguel Marques von der MLU. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, diese noch unbekannten Materialien zu entdecken: im Labor über unzählige Experimente mit verschiedenen Substanzen oder per Simulation am Computer. Letztere hat sich in den vergangenen Jahren immer mehr zum Standard entwickelt, wie Marques sagt: "Das Problem ist, dass viele bisherigen Ansätze sehr viel Rechenpower benötigen und nur langsam zu Ergebnissen kommen."

Die Forscher entwickelten deshalb ein neues Verfahren, das auf maschinellem Lernen basiert. Die neue KI sucht deutlich schneller als bisherige Verfahren nach neuen Materialien und soll in Zukunft auch deren elektrische und optische Eigenschaften vorhersagen. Mehrere Tausend mögliche Kandidaten konnten die Forscher so schon ausmachen.

150 wissenschaftliche Publikationen, zwei Patente, eine Ausgründung: Nach einer sehr erfolgreichen ersten Förderphase kann der gemeinsame Sonderforschungsbereich SFB/TRR 227 "Ultraschnelle Spindynamik" der Freien Universität Berlin und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) seine Arbeit fortsetzen. Der Senat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) verlängerte die Förderung um vier Jahre und stellte hierfür weitere zehn Millionen Euro zur Verfügung. Im SFB/TRR 227 arbeiten die Wissenschaftler an neuen Konzepten, Materialien und Funktionalitäten durch ultraschnelle Manipulation von Spinsystemen im Nanobereich.

Im Zentrum der Arbeiten des SFB/TRR 227 steht eine spezielle magnetische Eigenschaft von Elektronen: Der sogenannte Spin ist eine Art Eigendrehimpuls, der ein magnetisches Moment bewirkt und so zum Magnetismus führt. Die einzelnen Teilprojekte des SFB zielen darauf ab, das Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse voranzutreiben und Schlüsselelemente für spinbasierte Informationstechnologie zu liefern, die im Terahertz-Frequenzbereich arbeitet. So könnten langfristig Speichersysteme und Informationstechnologien entstehen, die auf ultrakurzen Zeitskalen einsetzbar sind.

Während der ersten Förderperiode veröffentlichten die beteiligten Wissenschaftler über 150 Studien in renommierten Fachjournalen, es wurden zwei Patente gewährt und eine Firmengründung auf Basis von Forschungsergebnissen angeschoben. Insgesamt arbeiten im TRR 227 rund 100 Mitarbeiter, wobei der wissenschaftliche Austausch zwischen den Forschern auf allen Karrierestufen sehr intensiv und produktiv ist.

Prof. Dr. Georg Woltersdorf, Vizesprecher und Physiker an der MLU, betont: "Das Themenfeld unseres SFB fügt sich sehr gut in den halleschen Forschungsschwerpunkt in den Materialwissenschaften ein und ist strukturgebend für unseren Forschungscampus."

Alkine sind Kohlenwasserstoffverbindungen, die in der Industrie vielseitig eingesetzt werden. Bislang ging man davon aus, dass man für bestimmte chemische Reaktionen mit ihnen zwingend Katalysatoren auf Gold- oder Platinbasis benötigt. Chemikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) ist es nun gelungen, dieselben Reaktionen mit deutlich günstigeren Materialien herbeizuführen. Über die Arbeit berichtet das Team in der Fachzeitschrift "Journal of the American Chemical Society".

Alkine gehören zu den Grundbausteinen der organischen Chemie. Dabei handelt es sich um eine Klasse von Kohlenwasserstoffverbindungen, bei denen zwei benachbarte Kohlenstoffatome drei Elektronenpaare miteinander teilen. "Für die gewünschten Reaktionen in der Industrie ist eine Aktivierung dieser Dreifachbindung nötig. Bislang konnte diese in Reaktionen hauptsächlich mit Katalysatoren auf der Basis von Edelmetallen, vor allem Gold oder Platin, beobachtet werden. Es gibt einen breiten wissenschaftlichen Konsens darüber, dass diese Reaktionen mit anderen Elementen nicht möglich sind", erklärt Prof. Dr. Konstantin Amsharov vom Institut für Chemie der MLU. Allerdings sind Gold und Platin nicht nur teuer, sondern auch relativ selten.

In der neuen Studie zeigen die Chemiker, dass es unter bestimmten Bedingungen möglich ist, einen Katalysator auf Basis von Aluminiumoxid - einer Verbindung von Aluminium und Sauerstoff - für die gleichen Reaktionen wie mit Alkinen zu verwenden. "Diese Elemente sind vergleichsweise günstig und kommen sehr häufig vor", sagt Amsharov. Bislang haben die Forscher die neue Methode nur im Labormaßstab unter Beweis gestellt. In weiteren Studien soll nun untersucht werden, auf welche gängigen Beispielreaktionen sich die Entdeckung anwenden lassen könnte.

Neuer Ansatz für IT-Technologien: Mit Hilfe von Spinwellen als Datenträger könnten Computer, Smartphones und Co. künftig effizienter und zuverlässiger rechnen. Zu diesem Schluss kommt ein Forschungsteam der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Universität Lanzhou in China durch Simulationen eines neuen Ansatzes in strukturierten Materialien. Die Studie wurde im Fachjournal "npj computational materials" veröffentlicht.

Logische Operationen sind die Grundlage für alle Rechenanwendungen auf Smartphones, Computern und Co. Dazu gehören Addition, Multiplikation und Subtraktion. "Ohne diese Operationen können wir gespeicherte Daten nicht sinnvoll verwenden", erklärt Prof. Dr. Jamal Berakdar vom Institut für Physik der MLU. Bislang werden logische Operationen mit Hilfe von Ladungsströmen realisiert. Allerdings hat diese Technologie einige Nachteile: "Bewegte Ladungen reagieren empfindlich auf externe elektrische oder magnetische Felder, zudem steigt der Energieverlust: Je kleiner die Geräte werden, desto stärker erwärmt sich das Material", sagt Berakdar. Deshalb wird seit einigen Jahren an alternativen Ansätzen geforscht. Die Magnonik versucht, die sogenannten Magnonen hierfür nutzbar zu machen. Magnonen sind Wellen, die sich in magnetischen Materialien erzeugen lassen, also Spinwellen. Sie entstehen durch die Schwingung der Magnetisierung und sind als Signale für die Datenverarbeitung einsetzbar. Anders als bei Ladungsstrom-getriebenen logischen Operationen müssen in der Magnonik für die Informationsverarbeitung keine Elektronen wandern und der Energieverlust ist deshalb geringer.

Die Studie wurde durch die Nationale Stiftung für Naturwissenschaften Chinas, die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB TRR 227 "Ultraschnelle Spindynamik" sowie im Rahmen des "111 Project" des chinesischen Bildungsministeriums gefördert.

Die Alexander von Humboldt-Stiftung ehrt den Physiker Prof. Dr. Marin Alexe von der Universität Warwick für sein bisheriges wissenschaftliches Schaffen mit dem Humboldt-Forschungspreis. Das mit der Auszeichnung verbundene Preisgeld nutzt der Forscher für mehrere Aufenthalte an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Technischen Universität Darmstadt.

Alexes Forschungsschwerpunkte erstrecken sich auf drei Bereiche: Er arbeitet an der Entwicklung und Charakterisierung von Oxid-Dünnschichten, etwa für optische Halbleiter- und Hochfrequenzanwendungen. Im Bereich der Nanotechnologie untersucht er vor allem neue Phänomene in ferroelektrischen Materialien, wie sie in Sensoren oder Speicherbauteilen für Computer zum Einsatz kommen könnten. Zudem beschäftigt er sich mit nicht-volatilen Technologien zur Informationsspeicherung.

"Ich freue mich sehr über diese Auszeichnung und möchte mich bei der Stiftung für diese große Ehre und bei den Initiatoren für ihr enormes Engagement bedanken. Jetzt bin ich gespannt auf die Rückkehr nach Halle und die gemeinsame Arbeit an großartigen Projekten", sagt Alexe, der von 1996 bis 2013 bereits am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle tätig war. Der Physiker ist Autor oder Co-Autor von mehr als 300 wissenschaftlichen Publikation. Die britische Royal Society hat seine Forschung mehrfach ausgezeichnet.

Mit dem Humboldt-Forschungspreis werden durch die Alexander von Humboldt-Stiftung Wissenschaftler für ihr Gesamtschaffen ausgezeichnet, deren grundlegende Entdeckungen das eigene Fachgebiet nachhaltig geprägt haben und von denen weitere Spitzenleistungen erwartet werden. Die Preisträger können selbst gewählte Forschungsvorhaben in Deutschland in Kooperation mit Fachkollegen durchführen. Der Preis ist mit 60.000 Euro dotiert.

Einen neuen, einfachen Ansatz zum Erzeugen von Terahertz-Strahlen haben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) und der Freien Universität Berlin entwickelt. Mit Hilfe starker optischer Laserpulse lassen sich elektromagnetische Terahertz-Felder direkt an der gewünschten Stelle generieren, wie das Team im Fachjournal "ACS Applied Nano Materials" berichtet. Die Einsatzmöglichkeiten von Terahertz-Strahlung sind vielfältig, sie reichen von der Werkstoffprüfung über die Kommunikations- bis hin zur Sicherheitstechnologie.

Terahertz-Strahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und dem unsichtbaren Infrarotbereich. Sie werden zum Beispiel in der Materialforschung eingesetzt, um undurchsichtige Materialien zu untersuchen. "Terahertz-Strahlung wirkt nicht ionisierend, sie kann keine Elektronen aus Atomen entfernen und ist damit im Gegensatz zur Röntgenstrahlung gesundheitlich unbedenklich. Sie wird zum Beispiel in den Personenscannern auf Flughäfen verwendet", erklärt der Physiker Prof. Dr. Georg Woltersdorf von der MLU. Bislang lässt sich die Strahlung nur mit relativ komplexen Anlagen erzeugen, weshalb sie in der Forschung noch nicht sehr häufig zum Einsatz kommt. Gemeinsam mit Forschern der Freien Universität Berlin arbeitete das Team von Woltersdorf an einem neuen Ansatz. "Unsere Idee ist es, diesen Prozess im Miniaturformat umzusetzen und die Strahlung genau an der Stelle zu erzeugen, an der sie gebraucht wird - zum Beispiel direkt auf einem elektronischen Chip", sagt Woltersdorf.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SFB-TRR 227 "Ultraschnelle Spindynamik" gefördert.

Der photovoltaische Effekt ferroelektrischer Kristalle in Solarzellen lässt sich um den Faktor 1.000 erhöhen, wenn drei verschiedene Materialien in einem Gitter angeordnet werden. Das haben Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in einer Studie gezeigt. Dafür erzeugten sie kristalline Schichten aus Barium-, Strontium- und Calciumtitanat, die sie abwechselnd übereinanderlegten. Die Ergebnisse, die zu einer deutlich höheren Effizienz von Solarmodulen beitragen könnten, wurden in der Fachzeitschrift "Science Advances" veröffentlicht.

Aktuell basieren die meisten Solarzellen auf Silizium, doch ihr Wirkungsgrad ist begrenzt. Seit einigen Jahren wird deshalb an neuen Materialen geforscht, etwa an Ferroelektrika, wie Bariumtitanat, einem Mischoxid aus Barium und Titan. "Ferroelektrisch bedeutet, dass das Material räumlich getrennte positive und negative Ladungen besitzt", erklärt der Physiker Dr. Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovationskompetenz SiLi-nano der MLU. "Die Ladungstrennung führt zu einer asymmetrischen Struktur, die eine Stromerzeugung unter Licht ermöglicht." Im Gegensatz zu Silizium benötigen ferroelektrische Kristalle für den photovoltaischen Effekt keinen sogenannten pn-Übergang, also keine positiv und negativ dotierten Schichten, was die Herstellung von Solarmodulen wesentlich erleichtert.

Reines Bariumtitanat absorbiert allerdings wenig Sonnenlicht und erzeugt demzufolge einen vergleichsweise geringen Lichtstrom. Die neuere Forschung hat jedoch gezeigt, dass die Kombination verschiedener Materialien in extrem dünnen Schichten die Ausbeute der Sonnenenergie deutlich erhöht. "Wichtig dabei ist, dass sich ein ferroelektrisches mit einem paraelektrischen Material abwechselt. Letzteres weist zwar keine getrennten Ladungen auf, kann unter bestimmten Bedingungen, etwa bei niedriger Temperatur oder leichten Modifikationen der chemischen Struktur, jedoch ferroelektrisch werden", erklärt Bhatnagar.

Die Forschungsgruppe von Bhatnagar hat nun herausgefunden, dass der photovoltaische Effekt nochmals deutlich verstärkt wird, wenn sich die ferroelektrische Schicht nicht nur mit einer, sondern mit zwei verschiedenen paraelektrischen Schichten abwechselt. Die weitere Forschung muss nun zeigen, welche Ursachen genau für den überragenden photoelektrischen Effekt verantwortlich sind. Bhatnagar ist zuversichtlich, dass das demonstrierte Potenzial des neuen Konzepts für die praktische Anwendung in Solarmodulen genutzt werden kann: "Die Schichtstruktur zeigt in allen Temperaturbereichen eine höhere Ausbeute als ein reines Ferroelektrikum. Zudem sind die verwendeten Kristalle deutlich langlebiger und benötigen keine spezielle Verpackung."

Die Bewegung von Elektronen kann einen deutlich größeren Einfluss auf spintronische Effekte haben als bisher angenommen. Das hat ein internationales Team unter Leitung von Physikerinnen und Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) herausgefunden. Bislang wurde für die Berechnung dieser Effekte vor allem der Spin der Elektronen berücksichtigt. Die Studie wurde im Fachjournal "Physical Review Research" veröffentlicht und liefert neue Ansatzpunkte für die Entwicklung spintronischer Bauteile.

Viele technische Geräte basieren auf der konventionellen Halbleiterelektronik. In diesen Bauteilen werden Ladungsströme genutzt, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Durch den Stromfluss entsteht jedoch Wärme, Energie geht verloren. Um dieses Problem zu umgehen, nutzt die Spintronik als neuen Lösungsansatz eine fundamentale Eigenschaft der Elektronen: ihren Spin. "Dabei handelt es sich um einen Eigendrehimpuls, den man sich wie eine Drehbewegung des Elektrons um die eigene Achse vorstellen kann", sagt die Physikerin Dr. Annika Johansson von der MLU. Mit dem Spin ist ein magnetisches Moment verknüpft, das zusätzlich zur Ladung der Elektronen für eine neue Generation schneller und energieeffizienter Bauteile genutzt werden könnte.

Um dieses Ziel zu verwirklichen, ist eine effiziente Umwandlung zwischen Ladungs- und Spinströmen notwendig. Diese Umwandlung ermöglicht der Edelstein-Effekt: In einem ursprünglich nicht magnetischen Material wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes ein Ladungsstrom erzeugt. Zusätzlich richten sich die Elektronenspins aus: Das Material wird magnetisch. "Die meisten früheren Arbeiten zum Edelstein-Effekt konzentrieren sich auf den Beitrag des Elektronenspins zur Magnetisierung, jedoch können Elektronen zusätzlich ein Orbitalmoment tragen, das ebenfalls zur Magnetisierung beiträgt. Ist der Spin die Eigenrotation des Elektrons, so kann man sich das orbitale Moment als die Bahnbewegung um den Atomkern vorstellen", sagt Johansson. Das ist ähnlich wie bei der Erde, die sich sowohl um ihre eigene Achse als auch um die Sonne dreht. Dieses orbitale Moment erzeugt wie der Spin ein magnetisches Moment.

In der neuen Studie haben die Forschenden eine Grenzfläche zwischen zwei oxidischen Materialien, die für die Spintronik häufig verwendet werden, mit Hilfe von Simulationen untersucht. "Obwohl beide Materialien Isolatoren sind, existiert an ihrer Grenzfläche ein metallisches Elektronengas, welches für seine effiziente Ladungs-Spin-Umwandlung bekannt ist", sagt Johansson. Das Team bezog bei der Berechnung des Edelstein-Effekts auch das orbitale Moment mit ein und fand heraus, dass dieses einen Beitrag zum Edelstein-Effekt liefert, der den Beitrag des Spins um eine Größenordnung übertrifft. Diese Erkenntnisse könnten dabei helfen, die Effizienz spintronischer Bauelemente zu erhöhen.

An der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) nimmt das Graduiertenkolleg (GRK) 2670 "Amphiphilie Plus: Selbstorganisation weicher Materie durch multiple nicht-kovalente Wechselwirkungen" seine Arbeit auf. Im Zentrum der künftigen Forschungsprojekte steht ein grundlegendes Ordnungsprinzip für Moleküle: die Amphiphilie. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das Projekt zunächst bis 2025 mit rund 4,5 Millionen Euro.

Wasser und Öl lassen sich nicht miteinander vermischen - egal, wie stark die beiden miteinander verrührt werden, am Ende liegen sie immer getrennt vor. "Wenn man dem Gemisch aber wenige Tropfen Seife hinzugibt, lassen sich die beiden Flüssigkeiten auf einmal vermischen", sagt der Sprecher des neuen GRK Prof. Dr. Dariush Hinderberger vom Institut für Chemie der MLU. Seife ist eine amphiphile Substanz, sie ist fett- und wasserlöslich.

"Die Natur nutzt Amphiphilie als grundlegendes Prinzip zur Selbstanordnung von Molekülen", erklärt Hinderberger weiter. Durch die verschiedenen Anteile an fett- und wasserlöslichen Bausteinen erhält ein Molekül seine bestimmte Form und die Möglichkeit, mit anderen Molekülen größere Aggregate aufzubauen. "Die Natur geht aber noch einen Schritt weiter und gibt den Molekülen zum Beispiel noch eine Ladung mit oder baut andere Atome ein", sagt Hinderberger. Daraus entstehen neue Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen. Über diese Wechselwirkungen lassen sich komplexe Systeme und Strukturen aufbauen, wie sie etwa in Proteinen, Enzymen oder Polymeren zu finden sind. Die Promotionsarbeiten in dem neuen GRK nehmen dieses Prinzip aus unterschiedlichen Perspektiven in den Blick: Neben experimentellen und theoretischen Arbeiten in der Chemie sind auch Forschungsprojekte in der Physik und auch der Mathematik geplant.

Unabhängig von der Fachrichtung durchlaufen die Promovierenden ein ausgeklügeltes Ausbildungsprogramm: Dazu gehören Kurse für das methodische Know-how und für Grundlagenwissen. Hinzu kommen speziell zugeschnittene Coaching-Angebote für Gastaufenthalte an verschiedenen renommierten Forschungseinrichtungen weltweit, etwa der ETH Zürich und der Pariser Sorbonne Université. Die Doktoranden haben zudem die Möglichkeit, innerhalb des GRK sogenannte Inkubatorenprojekte zu beantragen. Das sind kleine Forschungsprojekte, die über die eigentliche Promotion hinausgehen und für die die Promovierenden selbst verantwortlich sind. "Unsere Doktoranden sollen nicht nur theoretisch lernen, was es heißt, ein Projekt zu leiten, sondern auch in einem abgesteckten Rahmen erste praktische Erfahrungen sammeln können", erklärt Hinderberger.

Farbstoffe in Elektromotoren sollen künftig anzeigen, wenn Kabel-Isolierungen spröde werden und ein Austausch des Motors nötig ist. Wissenschaftler der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben zusammen mit ELANTAS, einem Geschäftsbereich des Spezialchemiekonzerns ALTANA, ein neues Verfahren entwickelt, mit dem die Farbstoffe direkt in die Isolierungen integriert werden können. Sie zeigen durch einen Farbwechsel an, wie stark sich die isolierende Harzschicht um die Kupferdrähte im Motor abgebaut hat. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Advanced Materials" veröffentlicht.

In modernen Verbrennermotoren ist es längst Standard: Detektoren erkennen, wann zum Beispiel ein Ölwechsel nötig ist und ersparen damit unnötige Überprüfungen. Auch Elektromotoren haben Verschleißerscheinungen. Im Inneren bestehen sie üblicherweise aus eng gewickelten Kupferdrähten - und diese sind wiederum mit einem isolierenden Harz überzogen. "Diese Isolierung verändert sich im Laufe der Zeit. Sie wird spröde, weil sie durch Wärme und chemische Prozesse abgebaut wird", erklärt Prof. Dr. Wolfgang Binder vom Institut für Chemie der MLU. Von außen ist jedoch nicht zu erkennen, ob die Isolierungen der Drähte im Inneren noch intakt sind oder ob ein Austausch des kompletten Motors notwendig ist.

Im Auftrag des ALTANA Geschäftsbereichs ELANTAS, der spezielle Harzsysteme für solche Isolierungen herstellt, suchten die Wissenschaftler der MLU nach einer Lösung für dieses Problem und entwickelten eine Testapparatur, mit der über mehrere Monate für vier verschiedene Harzsysteme analysiert werden konnte, welche Abbauprodukte bei verschiedenen Temperaturen entstehen. Es stellte sich heraus, dass die vier Harzsysteme unter den verschiedenen Temperaturbedingungen beständig einen bestimmten Alkohol freisetzen, der mit Hilfe eines geeigneten Farbstoffes nachgewiesen werden kann. Normalerweise leuchtet er unter UV-Licht rotorange, wenn der Alkohol an ihn bindet, verschiebt sich das Farbspektrum in ein helles Grün. Die verschiedenen Farbspektren lassen sich dann mit speziellen Geräten analysieren, die direkt in den Motor eingebaut werden könnten. "So kann man erkennen, ob ein Austausch nötig ist, ohne den Motor aufzuschrauben", so Binder. So ließen sich hoffentlich unnötige Motorwechsel künftig vermeiden.

"Diese Ergebnisse zeigen, was eine gelungene Kombination aus universitärer Grundlagenforschung und unternehmerischem Anwendungs-Know-how bewirken kann", so Dr. Simon Rost, Leiter Forschung & Entwicklung bei ELANTAS in Hamburg. "In Zukunft können wir unseren Kunden dadurch einen Mehrwert bieten und einen weiteren Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung leisten." Das neue Verfahren wurde von ELANTAS Anfang des Jahres zum Patent angemeldet.

Die American Physical Society (APS) hat PD Dr. Jürgen Henk vom Institut für Physik der MLU zum „Outstanding Referee“ ernannt. Damit würdigt der Fachverband die ehrenamtliche Arbeit des Physikers als Gutachter für wissenschaftliche Fachzeitschriften der Gesellschaft. Er engagiert sich seit 25 Jahren als Gutachter für die Journale der APS und weitere Fachzeitschriften.

Bevor eine wissenschaftliche Studie in einem Fachjournal veröffentlicht wird, durchläuft sie das Peer-Review-Verfahren: Unabhängige Forscher begutachten das Manuskript, geben Hinweise zur Verbesserung und bewerten letztlich, ob die Studie in dem jeweiligen Fachjournal erscheinen soll. Weltweit übernehmen viele Wissenschaftler diese Aufgaben zusätzlich zu ihrem eigentlichen Beruf – unentgeltlich. Der hallesche Festkörperphysiker Jürgen Henk ist einer von ihnen. „Im Schnitt begutachte ich allein für die APS ein Manuskript im Monat“, sagt er. Hinzu kommen weitere Gutachten für andere Fachjournale.

Die Uni Halle besitzt ein spezielles, hochmodernes Röntgenmikroskop, mit dem sich winzige Proben in 3-D abbilden lassen. So kann die Struktur von Werkstoffen sehr genau untersucht werden. Eine spannende Technik, die auch außerhalb Halles gefragt ist.

Die Wissenschaftlerin Dr. Juliana Martins de Souza e Silva ist an die Uni Halle gekommen, um mit dem Röntgenmikroskop ZEISS Xradia 810 Ultra zu forschen. Mit einer Virtual-Reality-Brille bewegt sie sich an Orten, die dem Auge normalerweise verborgen bleiben. Sie kann damit durch winzige Proben von Materialien „fliegen“, die zuvor mit dem Mikroskop aufgenommen wurden. Eine Technik, die der 41-Jährigen bereits einige internationale Kooperationen eingebracht und Publikationen in hochrangigen Fachzeitschriften möglich gemacht hat.

Das Gerät wurde Ende 2017 von der MLU Halle mit Geldern aus der Großgeräteinitiative der Deutschen Forschungsgemeinschaft angeschafft. Es soll die Entwicklung neuer Materialien beschleunigen und damit den Forschungsschwerpunkt Nanostrukturierte Materialien an der Uni voranbringen. Es ist das 49. seiner Art weltweit, vor kurzem ist in Hamburg das dritte in Deutschland installiert worden.

Neue Speicher- und Informationstechnologie braucht auch neue, leistungsfähigere Materialien. Eines davon ist Yttrium-Eisen-Granat, das besondere magnetische Eigenschaften aufweist und mit einem neuen Verfahren auf ein beliebiges Material übertragen werden kann. Entwickelt wurde die Methode von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Der Ansatz könnte die Herstellung von kleineren, schnelleren und energiesparenderen Bauteilen für die Datenspeicherung und Informationsverarbeitung voranbringen. Ihre Ergebnisse haben die Physiker in der Fachzeitschrift "Applied Physics Letters" veröffentlicht.

Magnetische Materialien spielen bei der Entwicklung neuer Speicher- und Informationstechnologien eine große Rolle. Ein noch junges Forschungsgebiet auf diesem Feld ist die Magnonik: Sie beschäftigt sich mit Spinwellen in Kristallschichten. Der Spin ist eine Art Eigendrehimpuls eines Teilchens, der ein magnetisches Moment erzeugt. Die Auslenkung der Spins kann sich dabei in einem Festkörper wellenartig ausbreiten. "In magnonischen Bauteilen müssten keine Elektronen für die Informationsverarbeitung wandern, weswegen sie viel weniger Energie verbrauchen würden", sagt Prof. Dr. Georg Schmidt vom Institut für Physik an der MLU. Sie könnten außerdem schneller und kleiner sein als bisherige Technologien.

Doch bisher ist es sehr aufwendig, die dafür benötigten Materialien zu produzieren. Häufig kommt dabei Yttrium-Eisen-Granat (YIG) zum Einsatz, weil es besonders geeignete magnetische Eigenschaften hat. "Das Problem war bisher, dass man die benötigten sehr dünnen, qualitativ hochwertigen Schichten nur auf einem bestimmten Trägermaterial herstellen kann und dass sich diese dann nicht mehr ablösen ließen", erklärt Schmidt. Das Trägermaterial wiederum hat ungünstige elektromagnetische Eigenschaften.

Dieses Problem haben die Physiker nun gelöst, indem sie das Material dazu bringen, brückenartige Strukturen zu bilden. So wird es zwar auf dem idealen Trägermaterial produziert, danach aber abgelöst. "Diese kleinen Plättchen können dann theoretisch auf jedes beliebige Material geklebt werden", so Schmidt. Die Methode basiert auf einem Herstellungsprozess bei Raumtemperatur, der in seinem Labor entwickelt wurde.

Seine Erfindungen auf dem Gebiet der Spintronik, haben die Computertechnik revolutioniert, denn sie ermöglichten es, die Datendichte auf Festplatten um das 1000fache zu erhöhen. Mit seiner Forschung zu dünnen magnetischen Schichten schuf er bei IBM die Basis, auf der das Unternehmen einen neuen Lese-Schreibkopf für Festplatten entwickelte. Dieser liest Daten auch aus sehr dicht gepackten magnetischen Speichermaterialien zuverlässig aus. Das legte den Grundstein für „Big Data“, also den Umgang mit großen Datenmengen. Nicht zuletzt deshalb lassen sich heute problemlos Filme und Bilder über soziale Netzwerke oder Computer-Clouds austauschen.

„Unser Ziel ist es, Bauteile, die etwa mit Spins oder Ionen arbeiten, für eine Technik jenseits der heutigen Mikroelektronik zu entwickeln“, sagt Stuart Parkin. „Von der Entdeckung eines neuen physikalischen Phänomens bis zur technischen Umsetzung kann es aber zehn bis zwanzig Jahre dauern. Ich finde es wichtig, bei der Investition in Wissenschaft eine langfristige Perspektive zu haben, um spannende Forschung betreiben zu können, die unwahrscheinlich oder unmöglich erscheint.“

2014 kam Stuart Parkin von IBM Research an das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik nach Halle, wo er Spin-Ströme und Speichertechniken der nächsten Generation erforscht, und ist in Teilzeit weiterhin für IBM tätig. Heute arbeitet Parkin mit seinem Team etwa an einem Bauteil, das magnetische Festplatten ersetzen könnte. Magnetische Festplatten speichern 70 Prozent aller Daten, aber sie arbeiten mechanisch und verbrauchen deshalb eine Menge Energie. Parkin forscht daran, ein sogenanntes magnetisches Racetrack Memory zu bauen, das ohne jede Mechanik funktioniert. Basis dafür sind neueste Entwicklungen in der Spintronik, Parkins Forschungsfeld. Die Spintronik nutzt den Spin von Elektronen aus, der sie zu kleinen magnetischen Einheiten macht. In diesen magnetischen Einheiten lassen sich Information speichern. In einem Racetrack Memory werden diese kleinen Magnete mit einigen Kilometern pro Sekunde bewegt. Das ermöglicht es, Datenspeicher zu bauen, die 100mal so viel Information speichern wie heutige Festplatten, dabei eine Million Mal schneller sind und 50 Prozent weniger Energie benötigen.

Aus der Auswahl-Begründung der King Faisal Stiftung: „Professor Stuart Stephen Parkin erhält den Preis in Anerkennung seiner grundlegenden Entdeckungen und Innovationen auf dem Gebiet der Spintronik, die zu einer 1.000-fachen Steigerung der Speicherkapazität von Magnetplattenlaufwerken geführt haben. Er entwickelte praktische Technologien auf der Basis von Spin-Ventilen, die den menschlichen Zugang zu Daten veränderten und die "Big Data Revolution" ermöglichten. Diese wiederum ermöglichte es, durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz hartnäckige Probleme zu lösen, die vom schnellen Zugriff auf riesige Datenmengen abhängen, wie z. B. Vorhersagen zu den Auswirkungen des Klimawandels. Darüber hinaus entwickelte Parkin das nichtflüchtige magnetische Random Access Memory (MRAM).“

Der King Faisal International Prize for Science wird seit 1983 einmal jährlich von der King Faisal Stiftung in Riad (Saudi-Arabien) an Wissenschaftler für herausragende Forschungsergebnisse verliehen. Alle vier Jahre wird jemand aus dem Fachgebiet Physik geehrt. Der Preis ist mit 200.000 US Dollar dotiert und wird mit einer Goldmedaille vergeben.

Winzige Nanopartikel lassen sich mit Farbstoffen ausstatten und könnten für neue bildgebende Verfahren genutzt werden. Hergestellt haben diese Chemiker und Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Die Forscher haben auch erstmals die besondere Struktur der Partikel vollständig aufgeklärt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" veröffentlicht.

Sogenannte Single-Chain Nanoparticles (SCNPs), also sehr kleine, einkettige Nanopartikel, sind ein attraktives Material für chemische und biomedizinische Anwendungen. Sie entstehen aus nur einer einzigen Molekülkette, die sich zu einem Partikel mit einem Umfang von drei bis fünf Nanometern zusammenfaltet. "Sie kommen überall im menschlichen Körper hin, weil sie so klein sind und können für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden", sagt Prof. Dr. Wolfgang Binder vom Institut für Chemie der MLU. Da es sich um ein junges Forschungsgebiet handelt, sind jedoch noch einige Fragen offen. So wurde bisher die Struktur der Partikel nur vermutet, jedoch nicht direkt aufgeklärt.

Als Binder und sein Team neue einkettige Nanopartikel entwickelten, die im medizinischen Bereich eingesetzt werden könnten, wollten sie es genauer wissen. "Wir haben festgestellt, dass die von uns entwickelten Nanopartikel eine spezielle, innere Struktur haben müssen", sagt Binder. Um diese aufzuklären, fragte er Kollegen aus Physik und Chemie der MLU an. Mithilfe einer Kombination sogenannter Elektronenspinresonanz und Fluoreszenzspektroskopie konnten die Wissenschaftler erstmals die Struktur eines SCNPs sichtbar machen. "Sie bilden eine Art Nano-Tasche, in welcher ein Farbstoff oder auch andere Moleküle geschützt sind", erklärt Binder.

Das Ziel der Forschung in Binders Arbeitsgruppe ist, Nanopartikel für die medizinische Diagnostik zu entwickeln. Das Verfahren ist eine Alternative zur Computertomographie, jedoch ohne gefährliche Strahlung.

Eine neue Bauweise für spezielle Solarzellen könnte deren Effizienz deutlich steigern. Dafür dürfen die Zellen nicht nur aus dünnen Schichten, sondern aus gezielt arrangierten Nanoblöcken bestehen. Das zeigt eine neue Studie eines internationalen Forschungsteams unter Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), die im Fachjournal "Nano Letters" veröffentlicht wurde.

Handelsübliche Solarzellen bestehen meist aus Silizium. "Aufgrund der Eigenschaften von Silizium kann man davon ausgehen, dass sich der Wirkungsgrad nicht unendlich steigern lässt", sagt der Physiker Dr. Akash Bhatnagar vom Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) "SiLi-nano" der MLU. Sein Forschungsteam beschäftigt sich daher mit dem sogenannten Anomalen Photovoltaischen Effekt, der in ausgewählten Materialien auftritt. Im Unterschied zur Funktionsweise von Silizium-Solarzellen wird für das Auftreten des Anomalen Photovoltaischen Effektes kein p-n-Übergang benötigt, der sonst den Stromfluss ermöglicht. Die Flussrichtung des Stromes wird dabei auf atomarer Ebene durch eine asymmetrische Kristallstruktur der entsprechenden Materialien vorgegeben. Solche Materialien, in der Praxis häufig Oxide, haben entscheidende Vorteile: Sie sind leichter herzustellen und deutlich langlebiger. Allerdings absorbieren sie oft nur wenig Sonnenlicht und haben einen sehr hohen elektrischen Widerstand. "Um diese Materialien samt dem Effekt nutzbar zu machen, bedarf es kreativer Zellarchitekturen, um die Vorteile zu verstärken und Nachteile auszugleichen", sagt Lutz Mühlenbein, Erstautor der Studie.

In der neuen Studie stellen die Physiker nun so eine neuartige Zellarchitektur vor, ein sogenanntes Nanokomposit. Tatsächlich steigerte die neue Architektur die aus der Zelle nutzbare elektrische Leistung um das Fünffache. Ein weiterer Vorteil der neuen Methode ist, dass sie sehr leicht umzusetzen ist. "Das Material will selbst so wachsen, es baut sich von selbst in der gewünschten Struktur zusammen. Es sind keine extremen Bedingungen von außen nötig, um es in diesen Zustand zu zwingen", so Mühlenbein. Die Idee, für welche die Forscher jetzt eine erste Machbarkeitsstudie geliefert haben, ließe sich auch auf andere Materialien statt Nickeloxid übertragen. Folgestudien müssten nun klären, ob und wie die so gestalteten Solarzellen in einem industriellen Maßstab produziert werden können.

Eine Studie des halleschen Physikers Prof. Dr. Georg Schmidt gehört zu den Meilenstein-Studien aus 50 Jahren Geschichte der Fachzeitschrift „Physical Review B“. Sie hat ein ganzes Forschungsgebiet der Physik nachhaltig beeinflusst und ist bis heute die wichtigste Publikation seiner wissenschaftlichen Karriere. Vor etwa 20 Jahren wurde sie noch mehrfach abgelehnt. „Physical Review B“ hat die Meilenstein-Studien im Laufe des Jahres 2020 vorgestellt, im Dezember die von Schmidt.

Vor etwas mehr als 20 Jahren wollte Georg Schmidt, damals Habilitand in Würzburg, eigentlich nur ein paar Berechnungen zu einem Experiment anstellen. Sein Thema: die sogenannte Halbleiter-Spintronik, damals ein beliebtes Forschungsgebiet mit dem Ziel, neue Transistoren und Datenspeicher zu entwickeln. „Eine Idee war, Spininformationen von Elektronen aus metallischen Ferromagneten in Halbleiter zu übertragen“, erklärt Schmidt, heute Professor am Institut für Physik der Uni Halle. Das sollte ihre Lebensdauer erhöhen. Doch anstatt zu berechnen, wie das funktionieren könnte, rechnete er aus, dass es nicht funktionieren kann. „Ich konnte das selbst erst kaum glauben“, erzählt er. Ein ganzer Forschungszweig versuchte etwas zu machen, was mathematisch nicht möglich sein sollte? Anfangs hat er sich damit nicht nur Freunde gemacht. „Meine Berechnungen haben gezeigt, dass ein guter Teil der damaligen Experimente auf dem Gebiet der Spininjektion nicht funktionieren konnte“, sagt Schmidt. „Das hat manchem Projekt die Grundlage entzogen.“

Heute gehört die Veröffentlichung nicht nur zu den Meilenstein-Studien in der Geschichte der Zeitschrift, sondern ist auch die meistzitierte in Schmidts Karriere. Mehr als 2.400 Studien beziehen sich inzwischen auf Schmidts Berechnungen. Mit der Halbleiter-Spintronik hat der Physiker seit seinem Wechsel nach Halle 2009 weniger zu tun. Im Bereich der Nanostrukturierten Materialien macht er zwar immer noch Spintronik, jetzt aber mit Metallen und Oxiden und nicht nur mit Elektronenspins, sondern auch mit sogenannten Spinwellen – aber immer auf der Suche nach neuen Bauelementen.