Notizen


<h2>Exzellenzinitiativen im Vergleich</h2>
<p>Exzellenzinitiativen für die universitäre Forschung wie in Deutschland gibt es auch in anderen Ländern, etwa in Südkorea, Australien oder Polen. Die OECD untersuchte 16 Länder und fand heraus, dass sich die Exzellenzinitiativen gleichen. Ihr Hauptziel ist es, die Universitäten international wettbewerbsfähig zu machen. Deshalb fördern sie Kooperationen innerhalb und zwischen Institutionen. Damit Universitäten in ein solches Exzellenzcluster aufgenommen werden, müssen sie mehrstufige Auswahlverfahren durchlaufen. Da die Exzellenzinitiativen Projekte meist länger fördern als üblich, verändern sie Strukturen in der Universität langfristig. Das Hochschulinformationssystem veröffentlicht die Ergebnisse in der Reihe “His-Hf: Schwerpunktthema”.</p>
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<h2>Bilanz der Forschungsdrittmittel</h2>
<p>Die RWTH Aachen warb von 2008 bis 2010 die meisten Drittmittel ein. Auf den Plätzen 2 und 3 liegen die LMU München und die FU Berlin. Die DFG bezog Drittelmittel der DFG, des Bundes und der EU sowie Personenförderung mit ein. Weitere Zahlen veröffentlichte die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Förderatlas 2012.</p>
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<h2>Mehr Geld für Bildung und Wissenschaft</h2>
<p> Staat und deutsche Wirtschaft finanzierten mit 133 Mrd. Euro Hochschulen, duale Ausbildung, Schulen und Kindergärten. Ausgaben für Weiterbildung und für Bildungsförderung, inklusive Ausgaben für Bildungsgüter privater Haushalte waren 19,5 Mrd. Euro und 19,7 Mrd. Euro. Im Vergleich zu 2009 gaben Staat und Wirtschaft mit 234,5 Mrd. Euro 4,3 % mehr für Bildung, Wissenschaft und Forschung aus. Im Jahr 2009 finanzierten öffentliche Haushalte 79 % der Bildungsausgaben. Forschung und Wissenschaft dagegen finanzierten sich zu 69 % durch die Wirtschaft. Das geht aus den vorläufigen Berechnungen des Statistischen Bundesamtes hervor.</p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.destatis.de" target="_blank">www.destatis.de</a></ext-link></p>


<h2>Studienqualität durch Akkreditierung</h2>
<p>Der Wissenschaftsrat sieht im Akkreditierungssystem das Potenzial, die Studienqualität zu erhöhen. Die Hochschulen haben die Möglichkeit, die Qualität ihrer Studiengänge im Rahmen der Programmakkreditierung weiterzuentwickeln. Akkreditierungsagenturen schätzen im Zuge der Systemakkreditierung ein, inwiefern die Qualität der Studiengänge den Anforderungen der Programmakkreditierung entsprechen.</p>


<h2>Letzte Vergaberunde 7. Forschungsrahmenprogramm</h2>
<p>Im Juli hat die EU-Kommission die letzten Aufrufe zum 7. Forschungsrahmenprogramm veröffentlicht. Verfügbar sind diese auf der Website der Europäischen Kommission. Seit 2007 fasst das 7. Forschungsrahmenprogramm alle forschungsverwandten EU-Initiativen zusammen. 2014 beginnt das nächste Forschungsrahmenprogramm Horizon2020.</p>
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<h2>Grundlagenforschung zu erneuerbaren Energien</h2>
<p>Das Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie (BAC) in Mülheim an der Ruhr hat seinen Forschungsschwerpunkt geändert und heißt jetzt MPI für chemische Energiekonversion (CEC). Es wird sich mit den Grundfragen chemischer Energieumwandlung und -speicherung befassen. Schwerpunkte sind Reaktionen mit Sonnenenergie und zur Speicherung von elektrischer Überschussenergie.</p>


<h2>Hochschullehrer und Nachwuchswissenschaftler des Jahres gesucht</h2>
<p>Der Deutsche Hochschulverband sucht den Hochschullehrer des Jahres. Der Preisträger, der das Ansehen seines Berufsstands in der Öffentlichkeit gefördert hat, erhält 10 000 Euro. Der Verband vergibt auch einen 2000 Euro dotierten Nachwuchspreis für Wissenschaftler unter 35 Jahren. Die Bewerbungsfrist endet am 30. September.</p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.hochschulverband.de" target="_blank">www.hochschulverband.de</a></ext-link></p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.academics.de" target="_blank">www.academics.de</a></ext-link></p>


<h2>Modularisiertes Programmportfolio</h2>
<p>Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die Programme Graduiertenkolleg und Sonderforschungsbereiche modularisiert. Modifizierte Merkblätter sowie Antragsmuster und -leitfäden sind jetzt online verfügbar.</p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.dfg.de/gk" target="_blank">www.dfg.de/gk</a></ext-link></p>
<p><ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.dfg.de/sfb" target="_blank">www.dfg.de/sfb</a></ext-link></p>



Forschung und Bildung

Exzellenzinitiativen im Vergleich Exzellenzinitiativen für die universitäre Forschung wie in Deutschland gibt es auch in anderen Ländern, etwa in Südkorea, Australien oder Polen. Die OECD untersuchte 16 Länder und fand heraus, dass sich die Exzellenzinitiativen gleichen. Ihr Hauptziel ist es, die...

Magazin


<p>Vom Blick aus dem Fenster über den Umgang mit Smartphones bis hin zum Aufsetzen der Brille wird klar: Glas ist allgegenwärtig. Die Basis für die meistgebrauchten Gläser ist Siliciumdioxid. Es gilt als Musterbeispiel für sauerstoffverknüpfte Netzwerke. Durch Zusätze in Gläsern lassen sich die Materialeigenschaften verändern. Doch obwohl Glas seit vielen Jahrzehnten erforscht wird, haben wir lediglich eine vage Vorstellung von dessen atomarer Struktur. Gerade diese Informationen sind für die Untersuchung und das Verständnis von Materialien entscheidend. Die Aufklärung der atomaren Struktur von Glas zählt zu einer der bedeutendsten, bisher unbeantworteten Fragen in den Naturwissenschaften.</p>
<p>Der Begriff Glas wird als Synonym für amorphe Materialien verwendet. In Gläsern existiert eine Nahordnung aufgrund der Natur der chemischen Bindungen, jedoch keine Fernordnung und keine Symmetrie. Die Modellvorstellungen von der Struktur der Gläser waren mit den bisherigen Experimenten nicht vollständig aufzuklären.</p>
<p>Vor hundert Jahren legte das Laue-Verfahren zur Beugung von Röntgenstrahlen an geordneten Strukturen den Grundstein zur Strukturanalyse von Kristallen. Röntgenbeugungsverfahren mitteln über makroskopisch große Probenbereiche und liefern in erster Linie Informationen im reziproken Raum. Daher sind sie nur bedingt auf Gläser anwendbar. Ohne Periodizität und langreichweitige Ordnung zeigen sich in der Röntgen- oder auch Neutronenbeugung keine kohärenten Interferenzen und somit keine diskreten Beugungsreflexe. Die bei Gläsern gewonnenen Beugungsinformationen lassen sich mit theoretischen Modellen zur atomaren Anordnung vergleichen, erlauben aber keine eindeutige Strukturzuweisung.</p>


<h2>Ein Modell und wie es sich untersuchen lässt</h2>
<p>Vor achtzig Jahren postulierte Zachariasen<sup>1</sup> die Random Network Theory, um die Struktur amorpher Materialien zu erklären. Mit gleichmäßig aufgebauten Einheiten, die untereinander in zufälligen Winkeln verknüpft sind, lassen sich Netzwerkstrukturen entwickeln. Im Fall von Siliciumdioxid handelt es sich bei den Baueinheiten um SiO4-Tetraeder, die im dreidimensionalen Raum zu einem komplexen Netzwerk ohne Fernordnung zusammenwachsen. Zachariasen griff vor achtzig Jahren auf eine Vereinfachung zurück, um sein Modell darstellen zu können (Abbildung 1a). Er zeigte ein zweidimensionales Bild seiner Idee, in der trigonale Einheiten nach seiner Vorstellung zum amorphen Netzwerk verknüpft sind. Die Baublöcke bilden ein ausgedehntes Netzwerk mit Ringen unterschiedlicher Größe, welche im dreidimensionalen Fall Poren im Material entsprechen. Lässt sich eine ähnliche Reduzierung der dreidimensionalen Struktur auf ein zweidimensionales Modellsystem auch experimentell umsetzen?</p>
<p>Schauen wir zunächst auf die Möglichkeiten moderner rastersondenmikroskopischer Verfahren zur Strukturaufklärung amorpher Materialien (s. Kasten). Die meisten der uns heute bekannten Oberflächenstrukturen wurden mit Beugungstechniken aufgeklärt.<sup>2</sup> Der Vorteil der neuen Mikroskopietechniken liegt in der lokalen Abbildung von Oberflächen mit atomarer Auflösung im Realraum. Das Potenzial in Bezug auf Gläser deutete sich in ersten AFM-Messungen an.<sup>3</sup>—<sup>5</sup></p>
<p>Bisher ist das atomare Abbilden und Aufklären von amorphen Materialien mit diesen Verfahren jedoch nicht gezeigt worden. Dafür gibt es im Wesentlichen zwei Gründe. Erstens sind insbesondere in der Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy, STM) elektronische und topographische Informationen auf der atomaren Ebene eng miteinander verknüpft und oft spektroskopisch nur schwer voneinander zu trennen. So wird beispielsweise ein Kohlenstoffmonoxidmolekül auf einer Metalloberfläche als Vertiefung abgebildet und nicht wie eigentlich zu erwarten wäre als aufrecht stehendes Molekül. Da Gläser in der Regel gute Isolatoren sind, erschwert sich die Untersuchung mit der Rastertunnelmikroskopie. Zweitens gestaltet sich die Abbildung von stark dreidimensional korrugierten (aufgerauten) Oberflächen mit Rastersondenmikroskopen im Allgemeinen schwierig. Leicht tieferliegende Atompositionen in der obersten Lage sind dabei von benachbarten Atomen verdeckt.<sup>6</sup> Kann man diese Probleme lösen?</p>


<h2>Atomar glattes Modellsystem</h2>
<p>Zur Strukturaufklärung und dem Verständnis von Glas haben wir deshalb ein zweidimensionales, atomar glattes Modellsystem entwickelt. Dieses besteht aus einem zweilagigen Siliciumdioxidfilm (Einschub in Abbildung 1b, S. 861), der auf einem Trägerkristall aus Ruthenium präpariert wurde.<sup>7</sup> Eine Reduzierung des komplexen Abbildungsproblems auf eine zweidimensional flache Struktur macht das Probensystem den neuen Techniken zugänglich. Mit einem kombinierten Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop untersuchten wir die amorphen Oberflächen bei tiefen Temperaturen im Ultrahochvakuum.</p>
<p>Die Gegenüberstellung von Zachariasens Modell und unseren atomar aufgelösten experimentellen Messungen in Abbildung 1 (S. 861) stimmt überein. Das Potenzial des Konzepts wird hier deutlich: Der Ansatz der ultradünnen Schichten kann die Aufklärung der atomaren Struktur auch für andere amorphe Systeme ermöglichen.</p>
<p>In Abbildung 1b (S. 861) sind im oberen Bildbereich helle Punkte sichtbar, von denen jeweils drei in einem gleichseitigen Dreieck angeordnet sind. Diese Punkte lassen sich atomaren Positionen zuordnen. Aus dem Vergleich mit den trigonalen Einheiten des Modells von Zachariasen wird deutlich, dass in der vorliegenden Messung die Sauerstoffatome abgebildet werden. Drei Sauerstoffatome sind um ein Si-Zentrum angeordnet, dessen Position mathematisch zu bestimmen ist, indem man den Mittelpunkt des Kreises berechnet, auf dessen Umkreis die drei Sauerstoffatome liegen. So erhält man einen kompletten Koordinatensatz für die atomare Struktur dieses amorphen Siliciumdioxidfilms.</p>


<h2>Von den Sauerstoffpositionen zum Strukturmodell</h2>
<p>Die direkte und zweifelsfreie Bestimmung der Sauerstoffpositionen ermöglicht es, Strukturelemente wie Bindungswinkel, Atomabstände oder Ringgrößen umfassend auszuwerten und die Paarkorrelationsfunktionen zu berechnen. Aus den Koordinaten lassen sich die Paarabstände des Netzwerks berechnen und beispielsweise mit der aus Neutronenbeugung erhaltenen Paarkorrelationsfunktion vergleichen.<sup>8</sup> Die Paarkorrelationsfunktion eines amorphen Systems enthält im Vergleich zu kristallinen Systemen statt diskreter Linien breite Maxima, welche sich mit zunehmendem Radialabstand noch weiter verbreitern. Darin spiegelt sich der amorphe Charakter der Struktur. Im Gegensatz zu den Neutronenbeugungsexperimenten (Abbildung 2a) lassen sich bei der aus dem rastersondenmikroskopischen Experiment bestimmten Paarkorrelationsfunktion die Einzelmaxima chemisch zuordnen (Abbildung 2b).</p>
<p>Die Paarabstände können in drei unterschiedliche radiale Bereiche eingeteilt werden (Abbildung 2c). Bereich I ist charakteristisch für die monomere Baueinheit des SiO4-Tetraeders. Über Sauerstoffverknüpfung dieser Tetraeder kommt man zu den oligomeren Ketten in Bereich II und schließlich zu den ausgedehnten polymeren Netzwerkstrukturen, die mit Bereich III assoziiert sind. Die aus rastersondenmikroskopischen Aufnahmen direkt ermittelten Paarabstände stimmen in allen drei Bereichen mit der Paarkorrelationsfunktion des Neutronenbeugungsexperiments überein. Entsprechende Übereinstimmung zeigt auch die Gegenüberstellung mit Daten aus der Röntgenbeugung. Diese Vergleiche verdeutlichen, dass der zweidimensional flache Siliciumdioxidfilm ein repräsentatives Modellsystem für ein dreidimensionales amorphes Material ist. Somit könnte er eine Schlüsselrolle bei der Strukturaufklärung von Gläsern spielen.</p>
<p>In hochaufgelösten rastersondenmikroskopischen Aufnahmen erkennt man verschiedene Ringe und deren Verknüpfung. Diese Ringstrukturen sind in Abbildung 3 entsprechend ihrer Größe unterschiedlich eingefärbt. Zur verbesserten Übersicht sind nur die Positionen der Siliciumatome hervorgehoben (grüne Kugeln). Ringgrößen, Ringanordnungen, Bindungswinkel und Bindungslängen sind Kenngrößen zur Charakterisierung und Klassifizierung von amorphen Strukturen und werden aus den gezeigten Messungen eindeutig bestimmt. Solche Strukturinformationen sind aus Beugungsdaten bisher nicht direkt zugänglich gewesen. Die Häufigkeitsverteilung der Ringgrößen zeigt Abbildung 3b. Die Anzahl der Si-Atome pro Ring variiert typischerweise von vier bis neun Ringgliedern. Der am häufigsten vorkommende Ring aus sechs Si-Atomen entspricht exakt der Baueinheit für einen hochgeordneten, kristallinen Siliciumdioxidfilm.<sup>9</sup></p>
<p>Eine vor kurzem veröffentlichte Studie einer weiteren Forschungsgruppe<sup>10</sup> beschreibt ebenfalls ein zweidimensionales Siliciumdioxidnetzwerk, das auf Graphen präpariert und durch Transmissonselektronenmikroskopie (TEM) aufgeklärt wurde. Die erfolgreiche Präparation eines amorphen Silicafilms auf unterschiedlichen Trägern deutet auf eine neue Klasse von Materialien mit vielfältigen Einsatzgebieten hin.</p>


<h2>Ausblick</h2>
<p>Die Untersuchung des Übergangs von kristallinen zu amorphen Strukturen könnte zum detaillierten Verständnis des Glasübergangs auf atomarer Ebene beitragen. Der dünne Silicafilm ist ein Modellsystem für die heterogene Katalyse, da diese häufig auf Trägermaterial aus amorphem Siliciumdioxid zurückgreift. Durch Aufbringen von Metalladsorbaten und entsprechenden Reaktanden lassen sich die auf der Oberfläche ablaufenden Prozesse nachstellen und mit atomarer Genauigkeit abbilden.</p>
<p>Das Filmsystem erlaubt ebenfalls, viele bisher unverstandene Prozesse, die mit Gläsern und amorphen Materialien im Zusammenhang stehen, genauer zu betrachten, etwa Reibungs-, Benetzungs-, Adsorptions-, Alterungs- und Witterungsphänomene. Aber auch die technisch interessante Wechselwirkung von Wasser mit Glasoberflächen lässt sich hiermit untersuchen. Auch an einem regnerischen Tag möchte man einen glasklaren Blick durch das Fenster haben.</p>


<h2>Quergelesen</h2>
<p>Erstmals wurde mit einer rastersondenmikroskopischen Technik ein zweidimensionales amorphes Modellsystem — ein Siliciumdioxidnetzwerk — mit atomarer Auflösung abgebildet.</p>
<p>Die Messungen bestätigen theoretische Überlegungen, die vor achtzig Jahren zur Vernetzung von Glasstrukturen postuliert wurden.</p>
<p>Die Übereinstimmung mit Beugungsdaten zeigt: ein Modellsystem für die Erforschung von Gläsern ist gefunden.</p>


<h2>Rastersondenmikroskopie</h2>
<p>Die Rastersondenmikroskopie zeichnet sich durch eine enorme Anwendungsbreite aus und erlaubt das Abbilden von lebenden Zellen bis hin zur Auflösung von atomaren Strukturen. Dem Spielraum der durchzuführenden Experimente sowie der Wahl des Probensystems sind dabei fast keine Grenzen gesetzt. Die lokale Abbildung einzelner Atome und Moleküle hat dazu geführt, dass die Technik heute zu einer der am meisten angewandten Oberflächenmethoden zählt. Zu dieser Familie von Mikroskopen gehört die Rastertunnelmikroskopie (scanning tunneling microscopy, STM) und die Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM). In beiden Fällen tritt eine Sondenspitze in Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probenoberfläche.</p>
<p>In der STM wird ein auf dem quantenmechanischen Tunneleffekt basierender Strom zwischen der Sondenspitze und der Probe gemessen, während in der AFM die auftretenden Wechselwirkungskräfte bestimmt werden. Die AFM lässt sich im Gegensatz zur STM auch auf nicht leitfähige Probensysteme anwenden.</p>
<p>Wir arbeiten mit einem kombinierten Sensor und detektieren dabei sowohl den Tunnelstrom als auch die Kraftwechselwirkung. Die gleichzeitige Analyse dieser beiden Signale liefert komplementäre Informationen in der strukturellen und elektronischen Charakterisierung von Oberflächen.</p>


<p>Christin Büchner ist Diplom-Chemikerin und arbeitet seit 2011 als Doktorandin am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in der Abteilung Chemische Physik. Leonid Lichtenstein ist Diplom-Physiker und arbeitet seit 2009 als Doktorand am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in der Abteilung Chemische Physik. Markus Heyde ist promovierter Chemiker und leitet am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft die Arbeitsgruppe “Rasterkraftmikroskopie”. <a href="mailto:heyde@fhi-berlin.mpg.de">heyde@fhi-berlin.mpg.de</a></p>



<ul>
<li>
<sup>1 </sup>

 
W. H. Zachariasen, 
<source>J. Am. Chem. Soc. 
(1932), 
54, 
3841–<lpage>3851.</lpage>
</li>
<li>
<sup>2 </sup>


K. Hermann, 
<source>Crystallography and Surface Structure, <publisher-name>Wiley-VCH</publisher-name>, <publisher-loc>Weinheim</publisher-loc>, 2011.

</li>
<li>
<sup>3 </sup>

 
W. Raberg, 
K. Wandelt, 
<source>Appl. Phys. A: Mat. Sci. Process 
(1998), 
66, 
1143–<lpage>1146.</lpage>
</li>
<li>
<sup>4 </sup>


J.-F. Poggemann, 
G. Heide, 
G. H. Frischat, 
<source>J. of Non-Cryst. Solids, 
2003, 
326—327, 
15–<lpage>20.</lpage>

</li>
<li>
<sup>5 </sup>

 
W. Raberg, 
A. H. Ostadrahimi, 
T. Kayser, 
K. Wandelt, 
<source>J. of Non-Cryst. Solids 
(2005), 
351, 
1089–<lpage>1096.</lpage>
</li>
<li>
<sup>6 </sup>

 
D. E. Bürgler, 
C. M. Schmidt, 
D. M. Schaller, 
F. Meisinger, 
T. M. Schaub, 
A. Baratoff, 
H.-J. Güntherodt, 
<source>Phys. Rev. B 
(1999), 
59, 
895–<lpage>902.</lpage>
</li>
<li>
<sup>7 </sup>

 
L. Lichtenstein, 
C. Büchner, 
B. Yang, 
S. Shaikhutdinov, 
M. Heyde, 
M. Sierka, 
R. Włodarczyk, 
J. Sauer, 
H.-J. Freund, 
<source>Angew. Chem. 
(2012), 
124, 
416–<lpage>420.</lpage>
</li>
<li>
<sup>8 </sup>

 
D. I. Grimley, 
A. C. Wright, 
R. N. Sinclair, 
<source>J. of Non-Cryst. Solids 
(1990), 
119, 
49–<lpage>64.</lpage>
</li>
<li>
<sup>9 </sup>

 
D. Löffler, 
J. J. Uhlrich, 
M. Baron, 
B. Yang, 
X. Yu, 
L. Lichtenstein, 
L. Heinke, 
C. Büchner, 
M. Heyde, 
S. Shaikhutdinov, 
H.-J. Freund, 
R. Włodarczyk, 
M. Sierka, 
J. Sauer, 
<source>Phys. Rev. Lett. 
(2010), 
105, 
146104.
</li>
<li>
<sup>10 </sup>

 
P. Y. Huang, 
S. Kurasch, 
A. Srivastava, 
V. Skakalova, 
J. Kotakoski, 
A. V. Krasheninnikov, 
R. Hovden, 
Q. Mao, 
J. C. Meyer, 
J. Smet, 
D. A. Muller, 
U. Kaiser, 
<source>Nano Lett. 
(2012), 
12, 
1081–<lpage>1086.</lpage>
</li>
</ul>


Forschung und Bildung

Exzellenzinitiativen im Vergleich

Bilanz der Forschungsdrittmittel

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