EXC 1074:  Hamburger Zentrum für ultraschnelle Beobachtung (CUI): Struktur, Dynamik und Kontrolle von Materie auf atomarer Skala

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 194651731

Die Bewegungen von Atomen in chemischen Prozessen direkt zu beobachten, gehört zu den großen Traumexperimenten der Wissenschaft - also live zu verfolgen, wie sich Atome etwa beim Aufbruch einer Bindung bewegen. Gleichermaßen wichtig sind die Informationen über derartige Übergangszustände für das Verstehen fundamentaler biologischer Prozesse; dazu kommen erhebliche Erkenntnisse im Bereich der Physik kondensierter Materie, der Quantenmaterialien sowie für Atome, Moleküle und Optische Physik (AMO). Dreh- und Angelpunkt der Forschung am Exzellenzcluster Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) sind die neuen ultrahellen Röntgen- und Elektronenstrahlungsquellen, die es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, die strukturelle Dynamik von Materie auf den fundamentalen Längen- und Zeitskalen zu untersuchen. Die wissenschaftlichen Ziele sind: (1) direkte Beobachtung von Übergangszuständen, die Biologie und Chemie auf molekularer Ebene vereinen; (2) direkte Auflösung der Korrelation von Struktur und Funktion in biologischen Systemen; (3) Öffnung der Protein-Nanokristallografie und Ausweitung der strukturellen Basis in der Biologie; (4) Darstellung von Quantensimulatoren für die Vielteilchenphysik und Auflösung von Mechanismen stark korrelierter Systeme; (5) direkte Beobachtung der Entstehung und des Aufbruchs atomarer Verbindungen im molekularen Übergang zur Nanotechnologie. Zur Erläuterung: Das derzeitige Verständnis der Kontrollmöglichkeiten chemischer Vorgänge basiert auf semi-empirischen Methoden zur Berechnung des Übergangszustands. Die Chance, die Struktur des Übergangszustands experimentell zu bestimmen, wird große Auswirkungen auf die Kontrolle chemischer Prozesse haben. Ähnliches gilt für die Bestimmung der Korrelation von Struktur und Funktion biologischer Systeme. Derzeit verfügt die Wissenschaft lediglich über Vorher-Nachher-Aufnahmen oder bestenfalls Aufnahmen flüchtiger Übergangszustände, um zu verstehen, wie Proteine chemische Prozesse steuern. Ein weiterer Aspekt ist, dass es derzeit nur wenige Hundert Strukturen von Membran-Proteinen in der Protein-Datenbank gibt. Diese Strukturen werden für die Entwicklung von Medikamenten zumindest als Ausgangspunkt benötigt. Daher werden die CUI-Forscherinnen und -Forscher Millionen von Kristallen in rascher Folge an den Messplätzen untersuchen und die Daten automatisiert sammeln, sortieren und filtern. Im Bereich der Physik kondensierter Materie und der Quantenmaterialien ermöglichen die ultrahellen Röntgen- und Elektronenstrahlungsquellen Aufnahmen atomarer Details, die auch komplexe Systeme von Elektronengittern darstellen. Für die Nanotechnologie wird CUI die Kernbildung beim Wachstum von Nanopartikeln einschließlich Fehlbildungen verfolgen.

• DFG-Verfahren: Exzellenzcluster
• Antragstellende Institution: Universität Hamburg
• Beteiligte Institution: Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL); Außenstelle Hamburg; Centrum für Angewandte Nanotechnologie GmbH; Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY); European X-Ray Free-Electron Laser Facility (XFEL) GmbH
• Sprecher: Professor Dr. Klaus Sengstock
• stellvertr. Sprecher: Professor Dr. R.J. Dwayne Miller; Professor Dr. Horst Weller
• beteiligte Wissenschaftlerinnen / beteiligte Wissenschaftler: Professor Dr. Robert H. Blick; Professor Dr. Andrea Cavalleri; Professor Dr. Henry N. Chapman, Ph.D.; Professor Dr. Markus Drescher; Professor Dr. Michael Fröba; Professor Dr. Gerhard Grübel; Professor Dr. Günter Huber; Professor Dr.-Ing. Franz Xaver Kärtner; Professor Dr. Alexander Lichtenstein; Professor Dr. Alf Mews; Professor Dr. Kornelius Nielsch; Professor Dr. Hans Peter Oepen; Professorin Dr. Daniela Pfannkuche; Professor Dr. Robin Santra; Professor Dr. Peter Schmelcher; Professor Dr. Wilfried Wurth (†)