Vom Quasiteilchen zu einer hochsensiblen Sensorik

Wer in der Wissenschaft fundamentale Fragen klären und dadurch neue Theorien entwickeln will, braucht dafür einen langen Atem und die notwendigen Mittel. Zeit kann auch die EU nicht schenken, aber der Europäische Forschungsrat (ERC) hat jetzt eine seiner höchstdotierten Auszeichnungen, einen sog. Consolidator Grant, an Prof. Dr. Stefanie Gräfe von der Friedrich-Schiller-Universität Jena vergeben.

Die Professorin für Theoretische Chemie ist – nach drei Wissenschaftlern – die erste Frau an der Uni Jena, die diesen raren Forschungsförderpreis erhält. Mit den rd. 1,9 Millionen Euro will sie v. a. acht Stellen für Nachwuchskräfte einrichten, um im Bereich der nichtlinearen Optik neue Erkenntnisse zu erlangen.

Ihr Projekt QUEM-CHEM (Zeit- und Raum-aufgelöste ultraschnelle Dynamiken in Molekül-Plasmon-Hybrid-Systemen) will in den nächsten fünf Jahren zunächst Grundlagen und neue Theorien schaffen, um dann deren Anwendungen – beispielsweise für eine hochsensible Sensorik – zu entwickeln. „Diese Förderung gibt mir die Möglichkeit das Projekt zu realisieren, für das ich schon lange brenne“, sagt die 38-jährige Jenaer Wissenschaftlerin, die dabei Elektromagnetismus mit Quantenmechanik „verheiraten“ will.

Was im Metall-Molekül-System passiert, wenn ein Lichtstrahl darauf trifft

Wenn Licht auf Materie trifft, kommt es zu Wechselwirkungen. Bei metallischen Nanoteilchen gibt es noch eine Besonderheit: Die Dichte der Ladungsträger im Metall kann nach Lichteinfall schwingen, so dass Physiker von plasmonischen Quasiteilchen reden. Dies führt zu Lichtverstärkung. Je kleiner das Nanoteilchen ist, umso größer ist die Lichtverstärkung. Stefanie Gräfe und ihr Team wollen im neuen Projekt QUEM-CHEM im Nanobereich fundamentale Fragen untersuchen, was nach Lichteinwirkung auf den Grenzflächen zwischen metallischem Festkörper und Molekülen passiert.

„Dazu gibt es bislang keine stimmige Theorie“, sagt die Expertin – und will genau dies ändern. Die neuen Forschungen in Gräfes Arbeitsgruppe beginnen vor allem als Simulation im Computer. Ziel ist es zunächst, die plasmonische Dynamik, also die Licht-induzierten Bewegungen der Elektronen im Metall, zu berechnen. Zudem soll mit Hilfe quantenchemischer Methoden die Molekülstruktur berechnet werden.

Anschließend will man diese beiden unterschiedlichen Methoden miteinander verbinden. Dies ermöglicht es beispielsweise, chemische Reaktionsmechanismen von Licht und dem Metall-Molekül-System aufzuklären. Für diese sog. Plasmon-Katalyse möchte die Jenaer Wissenschaftlerin mit der benachbarten experimentell arbeitenden Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Volker Deckert zusammenarbeiten, um die entwickelte Theorie direkt mit der Praxis vergleichen zu können.

Schnecken und Raketen gemeinsam untersuchen

Erschwert wird all dieses nicht nur dadurch, dass es sich um extrem variierende räumliche Dimensionen handelt, sondern die Reaktionen auch sehr unterschiedliche Geschwindigkeiten haben. „Wir müssen Schnecken und Raketen gemeinsam untersuchen“, verdeutlicht Gräfe das Prinzip und weist zudem darauf hin, dass am Ende ein „Preis-Leistungs-Sieger“ entwickelt werden soll.

Denn bei der Anwendung der neuen Erkenntnisse geht es auch darum, etwas zu entwickeln, das nicht nur im Labor unter Sonderbedingungen funktioniert, sondern für die weitere Grundlagen- aber auch angewandte Forschung verwendbar ist. Auch wenn Prof. Gräfe zunächst einmal hofft, in fünf Jahren chirale Moleküle, wie sie z. B. in Contergan vorkamen, detektieren und klassifizieren zu können, so schweben ihr auch mögliche Anwendungen vor – etwa zur Verbesserung der Spektroskopie, der Bio- und Nanophotonik oder auch der Sensorik.

Dass diese Visionen zur Realität werden können, davon ist Prof. Gräfe überzeugt: „Wir haben bereits erfolgreiche Studien zu diesem Themenkomplex durchgeführt. Dank des ERC-Grants kann ich die Arbeiten nun mit personeller Unterstützung verstärkt angehen“, freut sie sich über die EU-Förderung.

Die ERC Grants

Mit Consolidator Grants fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) exzellente, jüngere Forscherinnen und Forscher, die nach ihrer Promotion bereits herausragende Veröffentlichungen vorlegen können und ein riskantes aber vielversprechendes Forschungsvorhaben konzipiert haben. Für ihre Projekte erhalten die ausgewählten Forschenden bis zu zwei Millionen Euro für maximal fünf Jahre. Vergeben werden die Fördermittel vom ERC in einem harten Wettbewerbsverfahren.

Kontakt:
Prof. Dr. Stefanie Gräfe
Institut für Physikalische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 4, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 948330
E-Mail: s.graefe[at]uni-jena.de

http://www.uni-jena.de