Das Forschungszentrum Jülich - d-nb, Archivserver DEPOSIT.D-NB ...

tierische Zellen nur in Lösungen, die Körperflüssigkeiten genau imitieren, und bei physiologischen
Temperaturen. Solche Bedingungen sind mit den meisten klassischen physikalischen Verfahren
inkompatibel, und ein Großteil der Forschungsarbeiten in der Biophysik ist der Entwicklung neuer
Methoden gewidmet. Wir haben ein neues lichtmikroskopisches Gerät entwickelt, das so genannte
ellipsometrische Mikroskop, das die Vorzüge der Lichtmikroskopie (hohe laterale Auflösung) und der
Ellipsometrie (hohe Genauigkeit bei der Bestimmung optischer Parameter und der Dicke von
Dünnschichten) miteinander verbindet. Die ellipsometrische Mikroskopie ist mit den meisten
Biomaterialien kompatibel und wird gegenwärtig zur Untersuchung von aus lebenden Zellen
abgeschiedenen dünnen Proteinschichten benutzt.
Lebende Zellen haften aneinander oder an Substraten durch spezialisierte Oberflächenmoleküle, die
bestimmte Molekülteile erkennen und an sie anbinden. Diese Art der Bindung kann als "Schlüssel-
Schloss-Bindung" oder "spezifische Bindung" beschrieben werden. Molekülerkennung ist ein sehr
grundlegendes Prinzip von höchster Bedeutung für das Funktionieren biologischer Zellen und
Materialien. Hier erforschen wir einzelne Schlüssel-Schloss-Bindungen mit winzigen Kräften von
einigen Pikonewton und weisen mechanisches Versagen nach. Die Kraft des Versagens ist abhängig
von der Geschwindigkeit des Kraftaufbaus, was sich durch die chemische Kinetik dieser Bindungen
erklärt. Diese Experimente sind daher von grundlegender Bedeutung für die "Mechanochemie", die
Wissenschaft mechanisch belasteter chemischer Bindungen. In unseren Experimenten fanden wir
einen exponentiellen Anstieg der Rate von Bindungsversagen infolge externer Kräfte. Diese
Experimente geben Einblick in die Energielandschaft spezifischer Bindungen.
Die Proteinkristallographie liefert die Struktur eines Proteins, gemittelt über alle Elementarzellen
während der Meßzeit. Daher hat sie nur begrenzten Zugriff auf diffusive Prozesse. Die Ergebnisse aus
Molekular-Dynamik (MD)-Simulationen können jedoch hochauflösende Röntgenstrukturen bezüglich
Bewegungen im Pikosekunden- und Nanosekunden-Zeitbereich ergänzen. Dies wurde für die
Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (BR) gezeigt. Die raumzeitliche Verteilung von Wassermolekülen
und ihre entsprechenden Wasserstoffbrückennetzwerke innerhalb von Bakteriorhodopsin (BR) wurden
durch MD-Simulationen untersucht. Die Simulationen ergeben eine sehr viel größere Anzahl an
Wassermolekülen innerhalb von BR als experimentell gefunden wurde. Die detaillierte Analyse belegt
das Vorhandensein von Wasserkanälen und Wasserstoffbrückennetzwerken zwischen
Wassermolekülen und geladenen Atomen des Proteins, die Transportwege eines Protons während
des Pumpzyklus von BR darstellen.
Bezug zu anderen Programmen
Mit dem Fortschritt in Thema 1 sind wir in der Lage, Strategien für eine bessere Kontrolle und
Ausrichtung der magnetischen Eigenschaften von Materialien, ihres Transportverhaltens und ihrer
magnetischen Schaltcharakteristik zu entwickeln. Diese Strategien wiederum bilden das Rückgrat für
den Fortschritt im Bereich der Spintronik, die ab 2005 Teil des Programms "Schlüsseltechnologien" ist.
Der Fortschritt in Thema 2 (Spintronik) und Thema 5 (Bioelektronische Hybridsysteme) des
Programms "Schlüsseltechnologien" beruht auf der Entwicklung von ab-initio-Verfahren in Thema 1
des Programms "Kondensierte Materie".
Eine detaillierte Betrachtung von Spin- und Orbitalkorrelationen in korrelierten Elektronensystemen
und magnetischen Dünnschichten erfordert neue Ansätze mit Streuverfahren. Wir haben verfeinerte
Strategien zur Untersuchung anomaler anisotroper Röntgenstreuung sowie Neutronenstreuung mit
Polarisationsanalyse entwickelt. Dieser wissenschaftsgetriebene Ansatz liefert die Basis für unsere
Verfahrensentwicklung im Programm "PNI - Großgeräte für die Forschung mit Photonen, Neutronen
und Ionen".
Allgemeine Programmaspekte (Netzwerkbildung, Nachwuchsförderung, Chancengleichheit)
Wir haben eine Kollaboration mit dem Fachbereich Anorganische Chemie der RWTH Aachen auf dem
Gebiet der Chemie molekularer Magnete ins Leben gerufen. Zur Stärkung dieser Zusammenarbeit
wird 2005 an der RWTH Aachen zusammen mit dem Forschungszentrum Jülich eine W-2-Stelle
ausgeschrieben.
Vom 13. - 24. September veranstalteten wir unsere jährliche Schule zur Neutronenstreuung mit
Schwerpunkt auf Anwendungen für die experimentelle Physik weicher Materie und den Magnetismus.
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