Kommen zwei Materialien kurz in Kontakt, kann es zu einer elektrostatischen Aufladung kommen. Ein kleiner Blitz baut die Ladung ab, beispielsweise beim Griff an die Türklinke. Diese Reibungselektrizität löst ungewollt Funken und Explosionen in Stäuben und Granulaten aus, sie bietet aber auch das Potenzial, um mit Sporttextilien Strom zu gewinnen. Die Experimentalphysik der UDE erforscht die Ladungsprozesse. Ein Projekt zum Ladungsübertrag wird aktuell von der Deutschen Forschungsgemeinschaft für drei Jahre mit über 250.000 Euro gefördert.

Mikroskopische Berührungen zwischen Materialien führen zu einer Aufladung. Eine hohe Anzahl von Kontakten macht sehr hohe elektrische Spannungen von etlichen Kilovolt möglich. „Obwohl das schon lange bekannt ist, ist es immer noch unklar, welche geladenen Teilchen bei der Berührung übertragen werden. Das könnten einzelne Elektronen, Atome (Ionen) oder ganze Moleküle aus mehreren Atomen sein“, erklärt Prof. Dr. Rolf Möller, der mit seinem Kollegen Prof. Dr. Hermann Nienhaus das Projekt leitet.

Um der Lösung näher zu kommen, ist es erforderlich, exakt den Moment zu analysieren, in dem sich die Ladung von einem auf das andere Material überträgt. „Das geschieht während der Berührung atemberaubend schnell, in ein paar Millionstel Sekunden oder sogar noch schneller“, so Prof. Nienhaus. Zur Analyse dieses Vorgangs hat die Arbeitsgruppe neue elektronische Verstärker entwickelt, die sehr kleine Ladungen in Mikrosekunden messen und die Kontaktelektrifizierung einer Kugel beobachten: Das Wissenschaftler:innen-Team um Professor Möller und Professor Nienhaus lässt dazu eine Kugel mit dem Durchmesser von einem Millimeter frei auf eine Platte fallen, so dass sie mehrfach aufspringt. Die Arbeitsgruppe experimentiert dabei mit verschiedenen Kugel- und Plattenmaterialen – darunter Metalle und Isolatoren – und ändert die umgebende Atmosphäre. „Unser Versuch wird mit sehr hoher Präzision und einer Ladungs- und Zeitauflösung durchgeführt, wie es sie bisher noch nicht gab“, betont Möller. „Unser Ziel ist es, die physikalischen Mechanismen des Ladungstransfers grundlegend zu verstehen. Damit ließen sich Kontaktaufladungen künftig je nach Bedarf vermeiden, kontrollieren oder sogar von außen steuern.“

Bild:
Prof. Hermann Nienhaus (l.) und Prof. Rolf Möller (r.) vor der Versuchsapparatur mit einem elektronischen Ladungsverstärker. © Andreas Reichert

Weitere Informationen:
https://www.uni-due.de/ag-moeller/kontaktelektrifizierung.php
Prof. Dr. Rolf, Möller, Experimentalphysik, Tel. 0203/37 9-4220 rolf.moeller@uni-due.de
Prof. Dr. Hermann Nienhaus, Experimentalphysik, Tel. 0203/37 9-3154, hermann.nienhaus@uni-due.de

Redaktion: Ulrike Bohnsack, Tel. 0203/37 9-2429, ulrike.bohnsack@uni-due.de

SCARLETT trägt kein Kleid, sondern über 200 Meter Kabel: Sie umhüllen eine einzigartige Zentrifuge, die mehr über den Mars herausfinden soll. Das Kürzel SCARLETT steht für „Shadow Cast Angles of Repose in Low gravity Experiment with Thermal creep Thrust“ – ein Projekt der Astrophysik der UDE, bei dem es um den richtigen Winkel, niedrige Schwerkraft und thermische Effekte geht. In der simulierten Schwerelosigkeit wird die Zentrifuge derzeit bei Parabelflügen eben diese Bedingungen in über 8.000 Metern Höhe herstellen.

Unser roter Nachbarplanet fasziniert die Menschheit seit langem, ist er doch der Erde am ähnlichsten und seine Oberfläche durch ein Teleskop gut sichtbar. Raumsonden und Lander haben schon einiges erforscht, aber die Details geben Rätsel auf: So rutschen in der warmen Saison regelmäßig riesige Hänge ab, immer an denselben Stellen. Was löst diese Staublawinen aus? Die Forschenden vermuten, dass ein thermischer Gasfluss innerhalb des Bodens die Ursache ist und wollen dies nun im Experiment herausfinden.

Eine Zentrifuge ist dabei das Herzstück: Sie wurde vom fünfköpfigen Team um Prof. Dr. Gerhard Wurm entwickelt und wird gerade in Bordeaux in ein speziell ausgerüstetes Flugzeug eingebaut. Dieses hebt zu insgesamt drei Flügen mit jeweils 30 Parabeln ab (23.-25.5.). „In der Schwerelosigkeit simuliert eine Vakuumkammer die echte Mars-Schwerkraft, die geringer ist als auf der Erde“, erklärt Dr. Jens Teiser, der seit 2004 bei Parabelflügen wissenschaftliche Experimente macht. „Mit dabei haben wir besonderen Sand, der dem auf dem Mars gleicht. Durch Kippen der Vakuumkammer wird die Hangneigung langsam erhöht, bis der Sand ins Rutschen kommt. Halogenlampen erhitzten ihn während des Fluges, um den thermischen Gasfluss zu erzeugen.“

Wie läuft ein Parabelflug ab?

Das Flugzeug geht auf rund 7.500 Meter und fliegt von dort mit vollem Schub – in einem 47-Grad-Winkel – in 20 Sekunden auf etwa 8.700 Meter. In dieser Höhe drosselt der Pilot die Triebwerke, und das Flugzeug fällt frei auf einer parabelförmigen Bahn nach unten. Die Schwerelosigkeit dauert etwa 22 Sekunden, bevor der Pilot abfängt und zur nächsten Parabel ansetzt.

„Die Schwerelosigkeit ist die angenehmste Phase. Davor und danach wirkt doppelte Schwerkraft, das heißt man wird mit dem zweifachen Körpergewicht auf den Flugzeugboden gepresst“, sagt Teiser. Der Physiker hat die 160 Kilogramm schwere Zentrifuge mit entwickelt. Sie kann für weitere Experimente eingesetzt werden – etwa, um die Schwerkraft des Mondes zu simulieren. Doch zunächst sind nach den Flügen, die meist über dem Atlantik stattfinden, tausende Gigabyte Daten auszuwerten. „Wir wollen wissen, was auf dem Mars anders ist als bei uns und dadurch Zusammenhänge besser verstehen“, so Teiser.

Das dreijährige Forschungsvorhaben SCARLETT läuft bis Ende 2023. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert, Projektträger ist das Deutsche Zentrum für Luft und Raumfahrt.

Video der Zentrifuge:
https://youtu.be/iOvxi81sCOM

Das Video zeigt eine Sequenz, wie sie während einer Parabel stattfinden soll. Die Zentrifuge startet vor Beginn der Parabel. Während im Flugzeug Schwerelosigkeit herrscht, spürt die Sandprobe in der Gondel Mars-Gravitation. Jetzt geht das Licht an und der Sand erwärmt sich. Nach einer kurzen Wartezeit wird die Vakuumkammer gekippt, es kommt zum Abrutschen des Sandes. Mit Ende der Schwerelosigkeit wird die Kammer wieder zurückgestellt und ein neues Experiment kann beginnen.

Weitere Informationen:
Dr. habil. Jens Teiser, Experimentelle Astrophysik, Tel. 0203/37 9-2959, jens.teiser@uni-due.de

Qual der Wahl - unsere Fakultät für Physik ist mit drei Veranstaltungen dabei!

Licht: Welle oder Teilchen? Ein Besuch im schnellsten Labor der Welt

Einsichten in die Nanowelt

Planeten und Asteroiden

Freitag, 07. Juli 2023

Die Fakultät für Physik würdigt die im Rahmen von Bachelor-, Master- und Promotionsarbeiten erbrachten Leistungen.  

Haben Sie einen der folgenden Abschlüsse in der angegebenen Zeit gemacht (Physik, Lehramt Physik, Energy Science) und wurden bislang für Ihren Abschluss noch nicht gewürdigt?

• Bachelor/Master zwischen Januar 2022 und Mai 2023 (einschließlich)
• Promotion zwischen Januar 2019 und Mai 2023 (einschließlich)

Dann sind Sie herzlich eingeladen.  

18:00 Uhr Hörsaal LX 1205 Audimax, Lotharstraße 63a, 47057 Duisburg

• Begrüßung durch den Dekan Prof. Dr. Michael Schreckenberg
• Vorstellung der Absolvent:innen
• Ehrung besonders herausragender Arbeiten durch den Dekan und durch den Studiendekan Prof. Dr. Hermann Nienhaus

20:00 Uhr Foyer Hörsaalgebäude LX

• Sektempfang mit Imbiss

Was kommt nach dem Studium? Abschluss in Physik oder Energy Science und dann?

Wenn Sie sich auch schon diese Frage gestellt haben, dann kommt hier vielleicht die passende Antwort! Wir freuen uns, dass nach Pandemie und Cyberangriff unter neuem Titel das Konzept des Berufsbildtags wieder aufgegriffen werden konnte.

Bei „Careers in Physics“ schildern ehemalige Studierende unserer Fakultät im Rahmen von Kurzvorträgen ihren weiteren Weg nach dem Ende des Studiums, präsentieren Ihre heutigen Arbeitsgebiete und stellen sich danach Ihren Fragen!

Termin & Ort:
Dienstag, 20.04.2023 16:15 Uhr, LX 1203 (kleiner Hörsaal im Duisburger Hörsaalzentrum LX)

Programm:
Im ersten Kurzvortrag berichtet Dr. Lukas Madauß (ehem. AG Schleberger) von seiner Arbeit als Consultant bei der d-fine GmbH.

Im zweiten Kurzvortrag erzählt Dr. Petros Polichronidis (ehem. AG Schreckenberg) über die Verfahren zur Herstellung der Computerchips von morgen und seiner Tätigkeit als Projektleiter Systemdesign Illumination bei der Carl Zeiss SMT GmbH.

Nach den Vorträgen bleibt noch Zeit für individuelle Gespräche und Fragen.

Damit die Herstellung von grünem Wasserstoff Fahrt aufnehmen kann, braucht es vor allem eines: Nanopartikel, die als Katalysatoren den Prozess der Wasserspaltung in Sauerstoff und Wasserstoff steuern. Günstig, effektiv und umweltverträglich sollten die Partikel sein – und würfelförmig. Das haben Forschende der UDE und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) nun herausgefunden. Ihr Beweis darüber, dass würfelförmige Nanopartikel wesentlich effektiver sind als kugelförmige, ebnet den Weg zum gezielten Design effizienter Katalysatoren für grünen Wasserstoff. Über ihre Ergebnisse berichteten sie im Fachjournal Advanced Functional Materials*.

Edelmetalle wie Platin oder Iridium sind selten und teuer, bisher aber die effektivsten Katalysatoren für die Herstellung von grünem Wasserstoff. Ein Team um Prof. Dr. Kristina Tschulik (RUB) und Prof. Dr. Rossitza Pentcheva (UDE) haben es sich zur Aufgabe gemacht, das zu ändern. Im Fokus der Forschenden: Oxid-Nanopartikel aus unedlem Metall, wie etwa Kobaltoxid. Sie kommen als Katalysatoren für die Halbreaktion der Wasserspaltung in Frage, nämlich für die Bildung von Sauerstoff. „Die Sauerstoffentwicklung als Teilreaktion der sogenannten Wasserelektrolyse ist wesentlich komplexer als die Wasserstoffentwicklung und stellt so einen Flaschenhalseffekt für die Herstellung von grünem Wasserstoff dar “ sagt Pentcheva.

Das Team rund um Kristina Tschulik hat eine Methode entwickelt, mit der einzelne Partikel direkt in Lösung analysiert werden können. Dadurch lässt sich die Aktivität von verschiedenen Nanomaterialien miteinander vergleichen und somit aufklären, welchen Einfluss Partikeleigenschaften, etwa ihre Form und Zusammensetzung, auf die Wasserspaltung haben. Das Ergebnis: Die Oberfläche von würfelförmigen Kobaltoxid- Nanopartikeln ist bei der Bildung von Sauerstoff wesentlich aktiver, als es die Oberflächen ihrer kugelförmigen Pendants sind.

Durch quantenmechanische Simulationen, unter anderem am Supercomputer an der UDE, liefert das Team um Rossitza Pentcheva eine Erklärung für das Phänomen und eine tiefere Einsicht in den zugrundeliegenden Mechanismen: Die höhere katalytische Aktivität der kubischen Nanopartikel im Vergleich zu den kugelförmigen liegt an den unterschiedlichen aktiven Zentren an den beiden Oberflächen. „Das Verständnis auf der atomaren Ebene, wie die kristallographische Orientierung der Oberfläche und die katalytische Aktivität zusammenhängen, ist die Grundlage für das gezielte Design neuer Katalysatoren“, sagt Physikerin Pentcheva.

* Zur Originalveröffentlichung: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202370006

Weitere Informationen: Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, Theoretische Physik, Tel. 0203 37 92238, rossitza.pentcheva@uni-due.de

Supraleiter übertragen elektrischen Strom verlustfrei über jede Entfernung und spielen eine wichtige Rolle bei Quantencomputern und medizinischer Bildgebung. Ein vielversprechendes Material sind Nickelate, Oxidverbindungen auf Nickel- und Neodymbasis. Sie wurden 2019 entdeckt; die Mechanismen, die sie supraleitend machen, waren bisher nicht geklärt. Die Ursache gefunden hat nun ein internationales Team unter Leitung der US-amerikanischen Cornell University. Zu ihm gehörten auch eine Physikerin und ein Physiker der UDE. Die Entdeckung könnte helfen, neue verbesserte Supraleiter herzustellen. Die Ergebnisse wurden soeben in Nature Materials* veröffentlicht.

„Supraleiter sind die Stars unter den elektrischen Leitern“, erklärt Rossitza Pentcheva, Professorin für Computergestützte Materialphysik an der UDE. „Doch sie funktionieren meist nur bei extremer Kälte, was technische Anwendungen erschwert. Die Wissenschaft sucht daher nach neuen Materialklassen, die bei höheren Temperaturen supraleitend sind.“ Im Fokus sind seit einigen Jahren so genannte Nickelate, die erstmalig an der Stanford University hergestellt wurden.

Das Besondere dabei ist, dass die Supraleitung bislang ausschließlich in Proben nachgewiesen werden konnte, die als sehr dünne, kristalline Filme – weniger als 20 Nanometer dick – auf einem Trägermaterial aufgezogen wurden. Vermutet wurde, dass die Supraleitung nur dort stattfindet, wo der dünne Nickel-Oxid-Film auf das Substrat trifft, auf dem er gewachsen ist.

Das internationale Physikteam, an dem Pentcheva und ihr Mitarbeiter Dr. Benjamin Geisler beteiligt sind, wollte das genauer wissen. Es kombinierte für seine Analysen experimentelle und theoretische Methoden, u.a. die Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie, die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie und quantenmechanische Computersimulationen auf Hochleistungsrechnern. Dadurch ist es erstmals gelungen, die atomare Struktur der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien aufzulösen. „Zwischen dem Nickelat-Film und dem Strontiumtitanat-Substrat haben wir eine unerwartete Zwischenverbindung entdeckt“, so Geisler. „Sie schwächt die elektronische Ladungsanhäufung an der Grenzfläche ab.“

Damit steht fest: Nicht die Grenzfläche ist die Quelle der Supraleitung, wie bislang vermutet, sondern es ist die Nickelat-Schicht selbst. Prof. Pentcheva betont: „Die enge Verzahnung experimenteller und theoretischer Methoden war entscheidend für die Entdeckung. Sie stößt weitere Forschung an, so dass neue Materialverbindungen für technologische Anwendungen entstehen können.“

Pressemeldung der Cornell University: https://news.cornell.edu/stories/2023/03/origin-superconductivity-nickelates-revealed

*Zur Originalpublikation: DOI: 10.1038/s41563-023-01510-7
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01510-7

im Bild :
Das zusammengesetzte Bild zeigt links die Raster-Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme des Neodym-Nickelat-Films auf einem Strontiumtitanat-Substrat mit atomarer Auflösung.
In der Mitte abgebildet ist das Strukturmodell aus den quantenmechanischen Computersimulationen. Blau ist Nickel, rot Titan, hellgrau Neodym, dunkelgrau Strontium, und die kleinen lila Kugeln entsprechen Sauerstoff. Die Simulation zeigt, dass sich an der Grenzfläche eine gemischte Schicht aus Titanat und Nickelat bildet. Diese kompensiert die Ladungsfehlanpassung an der Grenzfläche und stimmt überein mit der rechts im Bild überlagerten elementspezifischen Analyse aus den Elektronen-Energieverlustspektren.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Rossitza Pentcheva, Computational Materials Physics, Tel. 0203/37 92238, rossitza.pentcheva@uni-due.de

Redaktion: Ulrike Bohnsack, ulrike.bohnsack@uni-due.de

Am 21.03.2023 fand die Ergebnispräsentation der Energy-Science-AG in der Karl-Ziegler-Schule (Mülheim a.d. Ruhr) statt. Eingeladen hierzu waren Vertreter unseres Studiengangs Energy Science, sowie Buddys unserer Fakultät, um die hoffentlich zukünftige enge Zusammenarbeit mit der Schule auch im Rahmen der Studieninformation zu gewährleisten. Der ehemalige Professor an unsere Fakultät, Christopher Stein, hatte die AG in der Schule in Kooperation mit der Fakultät für Physik ins Leben gerufen.

Die Schüler:innen haben im vergangenen Dezember in den Laboren der Fakultät für Physik Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse, sowie die bereits vorher in Vorlesungen kennengelernten theoretischen Grundlagen, wurden auf wissenschaftlichen Postern festgehalten und präsentiert. Die drei Gruppen beschäftigten sich mit Themen, wie der PEM-Brennstoffzelle, einer organischen Leuchtdiode und nanokristallinen Farbstoffsolarzellen.

Allgemeinen wurde das Projekt von Lehrern und Schülern sehr positiv bewertet. Am Ende äußerten die Schüler:innen Verbesserungsvorschläge, die nun umgesetzt werden sollen. Es ist geplant, die Kooperation in Zukunft zu intensivieren, sowohl auf wissenschaftlicher Ebene im Rahmen eines Projektkurses als auch auf Studieninformationsebene im Rahmen von buddy@school, und zu einem festen Bestandteil des Schulprogramms an der Karl-Ziegler-Schule werden zu lassen.

Wir freuen uns, dass die Doktoranden Lea Spieker (AG Wende) und Gérald Kämmerer (AG Kratzer) sich erfolgreich für eine Ph.D. Focus Session für die kommende DPG der Sektion SKM in Dresden beworben haben.

In ihrer Session wollen sie die Lücke zwischen Theorie und Experiment zum Thema Nicht-Gleichgewichtsdynamik aufzeigen. Vier hochkarätige Sprecher*innen: Sangeeta Sharma, Cyrille Barreteau, Julia Stähler und Emmanuelle Jal, werden Vorträge über Femtomagnetismus, Spin-schaltbare Moleküle, Photodotierung und ultraschnelle Magnetisierungseffekte halten. Die Session wird mit einer Podiumsdiskussion abgeschlossen.

Ort und Zeit: 29.03.2023 15:00-18:00 in HSZ 02

Eine ganz neue Aufgabe fordert die Schüler:innen bei den freestyle-physics 2023 heraus: Ein nicht rollendes Fahrzeug soll das Rennen machen. Doch auch die traditionelle Wasserrakete ist beim beliebten Physikwettbewerb an der UDE selbstverständlich dabei. Wer beim großen Finale Mitte Juni dabei sein möchte, kann sich bis zum 31. Mai anmelden – und jetzt schon loslegen.

Darauf haben die jungen Tüftler:innen der Region mit Spannung gewartet: Die Aufgaben für den diesjährigen Physikwettbewerb sind online. Was es für die kniffligen Aufgaben braucht? „Vor allem eine kreative Idee, die sich mit einfachen Mitteln umsetzen lässt“, sagt Physiker Dr. Andreas Reichert. Er ist Mitorganisator des Wettbewerbs, bei dem die Formelsammlung zur Nebensache und Spaß an der Physik zur Hauptsache wird. Und hier sind die Aufgaben:

Schaschlikbrücke
Wer überbrückt einen Meter nur mit Schaschlikspießen und Haushaltsgummis? Die Brücke muss ein vorgegebenes Gewicht tragen. Die leichteste Konstruktion, die standhält, gewinnt.

Verrücktes Rennen
Nichts an diesem Gefährt darf rollen – vorankommen muss es trotzdem. Wie geht das, wenn Räder, Rollen und Ketten aus dem Rennen sind? Schon einmal vorweg: Tiere und kleine Geschwister sind als Fortbewegungsmittel nicht erlaubt.

Crashtest
Nicht zimperlich dürfen die Tüftler:innen beim Crashtest sein. Ihr selbst gebautes Fahrzeug rast eine Rampe herunter und kracht gegen eine Wand. Das Ziel: so wenig vom geladenen Wasser wie möglich verschütten.

Wasserrakete
Der Wettbewerbsklassiker: Ziel ist es, eine Rakete aus einer PET-Flasche zu bauen, die möglichst lange in der Luft bleibt. Abgefeuert werden die Raketen am Wettbewerbstag mit Luftdruck, selbst gebastelte Fallschirme dürfen zum Einsatz kommen.

Die freestyle-physics ziehen jährlich etwa 2.000 Schüler:innen aus ganz NRW an. Der Wettbewerb richtet sich an die Jahrgangsstufen 5-13 und wird seit 2002 von einem Team rund um Wettbewerbserfinder Prof. Dr. Axel Lorke organisiert. Der Förderverein der UDE unterstützt die freestyle-physics und seit 2019.

Weitere Informationen und Anmeldung:
https://www.freestyle-physics.de/
Dr. Andreas Reichert, Fakultät für Physik, Tel. 0203/37 92032, andreas.reichert@uni-due.de

Redaktion: Juliana Fischer, Tel. 0203/37 91488, juliana.fischer@uni-due.de