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Was läuft im Molekülkino? – Prof. Dr. Jochen Küpper am Gymnasium Lerchenfeld

Am Dienstag, den 21. Januar 2020, besuchte der Chemiker und Physiker Prof. Dr. Jochen Küpper (externer Link) das Gymnasium Lerchenfeld, um den Schülerinnen und Schülern zweier zehnter Klassen von seiner Arbeit zu berichten.

Der Wissenschaftler ist Professor für Chemie und Physik an der Universität Hamburg und leitet am DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg-Bahrenfeld die CFEL (Center for Free-Electron Laser Science)-Forschungsgruppe Controlled Molecule Imaging.

Im Rahmen der Veranstaltungsreihe „Wir wollen´s wissen!“ ermöglichte Herr Küpper den Anwesenden im Musiksaal einen umfassenden Einblick in seine Forschungsarbeit. Vereinfacht gesagt gehen der Forscher und sein Team der Fragestellung nach, wie Chemie funktioniert. Ziel seiner Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln, die es ermöglichen, Aufnahmen von Molekülen anzufertigen, um Rückschlüsse auf deren chemische Eigenschaften und Strukturen ziehen zu können. Die in dieser Überschneidungszone von Physik und Chemie gewonnenen Erkenntnisse sollen zukünftig Medizin, Materialforschung und Biologie einen großen Schritt weiterbringen.

Doch dabei tauchen mehrere Schwierigkeiten auf. Wie sollen Moleküle, die 100 Pikometer klein sind und sich ständig unheimlich schnell bewegen, fotografiert werden? In einer Wasserflasche, erklärte Küpper, würden 1025 Wassermoleküle Platz finden – das ist eine 1 mit 25 Nullen. Würde ein Smartphone diese zählen wollen, so bräuchte es 3 Mrd. Jahre. Die Lösung? Ein kilometerlanger Laser erzeugt Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge, die der Größe der Wassermoleküle sehr nahekommt.

Die nächste Herausforderung: die Geschwindigkeit, mit der sich die Moleküle bewegen. Um sie überhaupt im Raum festhalten zu können, werden Dipoleigenschaften der Moleküle genutzt, um sie in einem elektrischen Feld auszurichten. Trotzdem schwingen die Atome hin und her. Würde man sie nun einfach fotografieren, so käme eine große Bewegungsunschärfe zustande. Die Lösung? Die Belichtungszeit beträgt nur eine Femtosekunde. In dieser Zeit legt das Licht 1/1000 der Breite eines Haares zurück.

Molekülfotos können nun also aufgenommen werden, aber wie erstellt man einen Film von chemischen Reaktionen? Während die Moleküle im Raum von elektrischen Feldern festgehalten werden, werden sie mit UV-Licht beschossen, um die gewünschte chemische Reaktion auszulösen. Nun muss es schnell gehen: Nach zehn Femtosekunden wird die erste Aufnahme gemacht. Dies wird nach 20, 30, 40, … Femtosekunden wiederholt, um die Struktur des Moleküls während der Reaktion dynamisch zu erfassen. Allerdings muss die Reaktion bei jeder Aufnahme immer wieder bei einem neuen Molekül eingeleitet werden, da kurz nach der Röntgenbestrahlung das Molekül auseinanderfällt. Die aufgenommenen Bilder müssen am Rechner noch transformiert werden, um ihre Informationen preiszugeben.

Das Team arbeitet kontinuierlich an der Weiterentwicklung und Präzisierung dieser Methode.

Im Anschluss hatten die Schülerinnen und Schüler genauso wie während der Präsentation die Gelegenheit, dem Experten Fragen zu stellen, sowohl fachlich als auch zu seinem beruflichen Werdegang.
Insgesamt schien die Veranstaltung allen Beteiligten sehr gefallen und einen bleibenden Eindruck hinterlassen zu haben. An dieser Stelle auch vielen Dank an Herrn Küpper und auch an Frau Hübenbecker, die den Vortrag von schulischer Seite organisiert hat.

Ein Bericht von Benedict und Lilly aus Jahrgang 10