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Das Neutron und die Herausforderungen des 21. Jahrhunderts Forschung mit Neutronen ist unverzichtbar für die Lösung vieler grundlegender Fragestellungen der modernen Naturwissenschaften. Als Beispiel sei die moderne Physik herausgegriffen, deren aktuelle intellektuelle Herausforderungen sich plakativ nach den „drei Unendlichkeiten“ ordnen lassen: dem Verständnis des „unendlich Kleinen“ (Fundamentale Kräfte und Grundbausteine der Materie), des „unendlich Großen“ (Ursprung und Entwicklung des Universums) und des „unendlich Vielfältigen“ (Phänomene kondensierter Materie als Folge des Wechselspiels einer großen Anzahl von Atomen bzw. Molekülen). Neutronen tragen Wesentliches zu allen diesen Fragestellungen bei. Sie sind dabei meist nicht ersetzbar. Neutron als Untersuchungsobjekt Zum einen sind Neutronen selbst das Untersuchungsobjekt. Auf der größten Skala geben sie entscheidende Impulse für die Kosmologie, etwa für das Verständnis der Entstehung der Elemente und der Phasenübergänge des frühen Universums. Auf der kleinsten Skala erlauben sie, die Grenzen des Standardmodells der Teilchenphysik auszuloten und ermöglichen wesentliche Fortschritte im Verständnis der starken, elektroschwachen und gravitativen Wechselwirkungen. Als neutrale elementare Teilchen sind Neutronen ideale Quantenobjekte, mit denen neuartige nichtklassische Zustände erzeugt und untersucht werden können. Neutron als Sonde Zum anderen sind Neutronen vorzügliche Sonden zur Untersuchung von kondensierter Materie in ihrer ganzen Vielfalt. Diese Untersuchungen betreffen die „unendlich vielen Dinge“, mit denen wir täglich in Berührung kommen und die hochkomplexen Phänomene, die aus dem Zusammenspiel der Teilkomponenten resultieren. Vielleicht am deutlichsten sichtbar wird die hiermit verbundene Herausforderung in den Lebenswissenschaften. Nach Aufklärung der atomaren Struktur von Proteinen steht ein Verständnis der molekularen biologischen Prozesse an, und Neutronen als Sonden haben an Quellen der nächsten Generation ein enormes Potential, solche dynamische Vorgänge aufzuklären. Die Physik als Basiswissenschaft nähert sich der Biologie über die Untersuchung von weicher Materie, die in mehrkomponentigen Systemen komplexe Selbstorganisation zeigt. Vorgänge auf mikro- bis mesoskopischen Längenskalen in derart komplexen Systemen lassen sich hervorragend mit Neutronenstreuung aufklären, die durch gezielte Deuterierung eine mehrdimensionale Kontrastvariation erlaubt. Empfindlich ... Komplexität ist auch die große Herausforderung der modernen Festkörperforschung. Mit der Empfi ndlichkeit für Wasserstoff oder für molekulare Schwingungen liefern Neutronen einzigartige Beiträge, z. B. für die supramolekulare Chemie oder die Katalyse. Faszinierende makroskopische Quanteneffekte, wie die Hochtemperatursupraleitung oder der kolossale Magnetowiderstand, treten in komplexen Übergangsmetalloxiden mit starken elektronischen Korrelationen auf. Mit dem empfi ndlichen Wechselspiel zwischen den Spin-, Ladungs-, Orbital- und Gitterfreiheitsgraden, die zur Selbstorganisation auf einer Nanometerskala führen, versprechen solche Verbindungen noch viele überraschende Entdeckungen und neuartige Anwendungen, etwa in der Sensorik oder Spintronik. Neutronen erlauben, die Ordnung und Anregungen der relevanten Freiheitsgrade empfi ndlich nachzuweisen und damit zwischen den verschiedenen möglichen Mechanismen zu unterscheiden. ...auf allen Skalen Neutronen als Sonden in der Nanowelt eignen sich jedoch nicht nur für Untersuchungen auf kleinster Skala (Pikometer bis Mikrometer) und auf kürzesten Zeiten (Pikosekunden bis Mikrosekunden). In der Geologie gestatten Texturuntersuchungen mit Neutronen, verbunden mit entsprechender Modellierung, Aussagen über geodynamische Vorgänge, die über Millionen von Jahren und Kilometern von Tiefenbewegungen verlaufen. Breites Anwendungsspektrum Diese unvollständige Aufzählung von aktuellen Fragestellungen in der Forschung mit Neutronen vermittelt einen ersten Eindruck von der Breite des Anwendungsspektrums dieses „Geschenks der Natur“. Es kann nicht das Ziel dieses Papiers sein, dieses Spektrum in voller Breite abzudecken. Wir konzentrieren uns daher auf einige wenige, zum Teil fächerübergreifende, Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, die sich unter Schlagworten „Komplexität“, „Korrelationen“, „Eingeschränkte Dimensionalität“ zusammenfassen lassen. Die im Folgenden angesprochenen Themen haben Beispielcharakter und lassen sich oft unter verschiedenen Kategorien einordnen. So ist es zwar nahe liegend, biologische Fragestellungen unter dem Oberbegriff „Komplexität“ einzuordnen. Andererseits liefern biologische Membranen ein schönes Beispiel für „Eingeschränkte Dimensionalität“. Neben der Beantwortung grundlegender Fragestellung hat die Forschung mit Neutronen auch großen Anwendungsbezug und strahlt damit direkt aus in unser tägliches Leben. Dieser Aspekt wird im folgenden Kapitel schlaglichtartig beleuchtet. Eine weitergehende und umfangreichere Analyse der Möglichkeiten der Forschung mit Neutronen fi ndet sich in [5] und [6]. 18 Herausforderungen 19
Komplexität Die Strategie der Naturwissenschaften, möglichst einfache Modellsysteme zu untersuchen, hat in der Vergangenheit beeindruckenden Erfolg verzeichnet und herrliche Früchte getragen. Reale Systeme der kondensierten Materie, der Geowissenschaften und insbesondere der Lebenswissenschaften zeichnen sich jedoch gerade dadurch aus, dass sie aus vielen, zum Teil recht unterschiedlichen, Bestandteilen bestehen, die voneinander abhängig sind und in Verhalten und Wirkung Veränderungen unterworfen sein können. Charakteristisch für solche komplexen Systeme ist das Phänomen der Selbstorganisation. Das Zurückführen auf einfachere Modellsysteme erscheint höchstens bedingt möglich. Eine der großen Herausforderungen für die Naturwissenschaften im 21. Jahrhundert ist es, neue Konzepte, basierend auf höheren Organisationsprinzipien zu entwickeln, um fächerübergreifend zu einem tieferen Verständnis komplexer Systeme zu gelangen. Abb. 2.8. Schematische Darstellung einer biologischen Membran, die den komplexen Aufbau als Multikomponentensystem verdeutlicht. Fragestellungen Typische grundlegende offene Fragen, zu deren Beantwortung Neutronen entscheidend beitragen können, sind: • Welches sind die universellen Prinzipien von Strukturbildung und Selbstorganisation in der Natur, und wie können sie in der Materialwissenschaft genutzt werden • Können wir chemische Reaktionen und Reaktionswege in Multikomponentensystemen vorhersagen • Können wir gezielt Vielkomponenten-Materialien erzeugen mit maßgeschneiderten makroskopischen Eigenschaften • Wie sind biologische Funktionen und Prozesse mit der Struktur und Dynamik von makromolekularen Systemen verbunden • Welche Rolle spielt Wasser in geodynamischen Prozessen wie Plattentektonik, Vulkanismus und Gesteinsumwandlung Beispiele für komplexe Systeme • Bio-Materialien bestehen aus einer Unmenge verschiedener molekularer Spezies, die auf spezifi sche Art miteinander wechselwirken, sich selbst organisieren und damit Lebensprozesse erst ermöglichen (s. Abb. 2.8). • Weiche Materie begegnet uns oft in Form von Vielkomponentensystemen, in denen Strukturbildung durch Selbstorganisation auftritt. Solche Mischmaterialien sind allgegenwärtig in der technischen Anwendung: - Mikroemulsionen, d. h. makroskopisch homogene Phasen, die durch Zusatz eines oberfl ächenaktiven Stoffes (Tensids, „Surfactant“) zu einem Gemisch von zwei gewöhnlich nichtmischbaren Flüssigkeiten, wie Öl und Wasser („Sauce Vinaigrette“), entstehen (s. Abb. 2.9). - Kolloidale komplexe Flüssigkeiten, d. h. in Dispersionsmittel fein verteilte Stoffe – ein alltägliches Beispiel ist Milch. - Strukturbildung in makromolekularen, polymeren Systemen, die z. B. zur Herstellung von geordneten Nanostrukturen genutzt werden kann. • Komplexe Festkörper, etwa komplexe Metalllegierungen mit Einheitszellen, die aus vielen tausend Atomen bestehen oder komplexe Übergangsmetalloxide, wie Hochtemperatursupraleiter oder Manganate mit kolossalem Magnetowiderstand. Diese Materialien zeigen elektronische Selbstorganisation auf der Nanometerskala, etwa in Form von Streifenordnung oder elektronischer Phasenseparation (s. Abb. 2.10). • Komplexe Geomaterialien, die aus mehreren Phasen mit unterschiedlicher Textur zusammengesetzt sind. Die Multiphasentextur gibt Aufschluss über die geodynamische Vorgeschichte, d. h. die Zeitentwicklung von Druck und Temperatur (s. Abb. 2.11). Intensität / 10 30 25 20 15 10 020.omp 111 − .omp 100.qtz 220.gar Mn 3+ Mn 3+ Mn 4+ Eklogit wk17− 98A 111.omp 011/101.qtz 021.omp 220.omp 321.gar 221 − .omp 310.omp 311 − .omp 130.omp 400.gar 420.gar 131 .omp 202 − .omp 002.omp 30 40 50 60 70 80 221.omp 332.gar 110.qtz 2 Theta 131.omp 422.gar 400.omp 311.omp 312 − .omp 112.omp 022.omp 431.gar 012/102.qtz 111.qtz 330.omp 521.gar 331 − .omp 421 − .omp Abb. 2.9. Darstellung der bikontinuierlichen Phase einer Mikroemulsion. Abb. 2.10. Streifenordnung in Manganaten aufgrund elektronischer Phasenseparation. Abb. 2.11. Neutronen-Texturanalyse der verschiedenen Komponenten einer Gesteinsprobe als Beispiel eines geologischen Multiphasenmaterials. 440.gar 041.omp 402 − .omp 202.omp 132 − .omp 241 − .omp 021/201.qtz 611/532.gar 331.omp 422 − .omp 620.gar 112.qtz 20 Komplexität 21
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