Schnappschüsse aus dem Nanokosmos – Wie Markus Gühr mit Lichtblitzen die Dynamik von Molekülen beleuchtet

Prof. Dr. Markus Gühr | Foto: Antje Horn-Conrad
Im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Gühr. | Foto: Tobias Hopfgarten
Im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Gühr. | Foto: Tobias Hopfgarten
Foto : Antje Horn-Conrad
Prof. Dr. Markus Gühr
Foto : Tobias Hopfgarten
Im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Gühr.
Foto : Tobias Hopfgarten
Im Labor der Arbeitsgruppe von Prof. Gühr.
Vielleicht war es ja ein Zeichen: Aufgewachsen in Gießen, hatte Markus Gühr als Junge am Alten Friedhof seiner Stadt gespielt, ganz in der Nähe des Ortes, an dem Wilhelm Conrad Röntgen begraben liegt. Dass Gühr heute selbst Physiker ist und mit Röntgenstrahlen experimentiert, quittiert er mit einem Schmunzeln. Zufall?

Wer sein Labor im Golmer Physikinstitut betritt, muss eine Brille tragen. Mit Lichtschutz! Denn hier wird geblitzt. Markus Gühr untersucht, wie sich Moleküle unter Lichteinfluss verändern und dabei Energie umwandeln. Ein Prozess, der vielfach in der Natur abläuft, etwa bei der Photosynthese oder auch, wenn die Sonne unsere Haut wärmt. Dass die intensive ultraviolette Strahlung dabei nicht unsere DNA schädigt, liegt an den besonderen Eigenschaften der vier Nukleinbasen der Doppelhelix. Sie scheinen über einen Schutzmechanismus zu verfügen, der sie in die Lage versetzt, das gefährliche UV-Licht in harmlose Wärme umzuwandeln. Wie aber geschieht das? Und wie lässt sich eine solche Energieumwandlung in Echtzeit beobachten? Wenn lichtangeregte Elektronen mit dem Kerngerüst von Molekülen wechselwirken, dann geschieht dies innerhalb von Femtosekunden, was dem Millionstel einer Milliardstelsekunde entspricht. Von einem Zeitfenster kann hier also kaum die Rede sein. Und doch gelingt es Markus Gühr, in diese extrem schnellen Prozesse Einblick zu nehmen.

Die Versuchsanordnung in seinem Golmer Labor lässt zunächst wenig erkennen: eine Vakuumapparatur, optische Geräte und Rechner, alles miteinander verbunden in einem Labyrinth von Leitungen, dazwischen Baukästen und Werkzeug. Das Durcheinander aber hat System. Gührs Arbeitsgruppe führt hier Experimente mit ultraschnellen Lasern durch, die Impulse im Bereich von Femtosekunden erzeugen. Die Potsdamer Quantenphysiker gelten mit als Wegbereiter bei der Verwendung von Extrem-Ultraviolett- Lichtpulsen, mit denen sie die Moleküle im Vakuum anblitzen, um deren Verhalten im wahrsten Sinne des Wortes näher beleuchten zu können.

Ein Film über die Abläufe in Molekülen

Für ihre Untersuchungen setzen sie zudem ultraschnelle Röntgenpulse ein. Weiche Röntgenstrahlung wirkt spezifisch auf Elektronen bestimmter Elemente und eignet sich deshalb besonders gut dafür, die Elektronenbewegung von Molekülen zu verfolgen. Solche Experimente sind allerdings noch nicht in Potsdam möglich, sondern nur mit dem Freie-Elektronen-Laser am DESY, dem Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg. Die Anlage mit dem sinnträchtigen Namen „FLASH“ erzeugt extrem intensive Röntgenlaserblitze im Femtosekundenbereich, mit denen sich jene Prozesse in Molekülen „ablichten“ lassen, die in derselben hohen Geschwindigkeit ablaufen. Um einzelne Schritte etwa einer chemischen Reaktion beobachten zu können, machen die Forscher unzählige Schnappschüsse, die aneinandergereiht einen „Film“ ergeben, der das molekulare Geschehen abbildet.

Das Interesse von Wissenschaftlern am FLASH zu experimentieren, ist enorm. „Die Messzeiten sind limitiert. Man hat nur wenige Tage für die Kampagne“, erzählt Markus Gühr, der zuletzt im Frühjahr 2019 Gelegenheit hatte, die Anlage zu nutzen. Im Gepäck hatte er eine 700 Kilogramm schwere Apparatur, die er für die internationale Forschergemeinde am FLASH mit seiner Gruppe in Potsdam entwickelt hatte. Das von einer Spezialfirma gebaute Gerät hat er zur Sicherheit selbst mit dem LKW nach Hamburg gefahren. „Wenn man nur begrenzt Zeit hat, darf nichts schiefgehen. Die Messung lässt sich nicht so einfach wiederholen. Alles muss klappen“, sagt Gühr und beschreibt den spannenden Moment, als die Apparatur vor Ort zusammengesetzt und installiert wurde. Es funktionierte. Und so konnten er und sein Team viele Terrabyte an Daten nehmen, die nun Schritt für Schritt ausgewertet werden.

Markus Gühr gilt als Experte, wenn es darum geht, die schnellsten und kleinsten Phänomene der Natur in Echtzeit sichtbar zu machen. Bevor er als Professor an die Universität Potsdam kam, hatte er viele Jahre am SLAC National Accelerator Labaratory an der Stanford University gearbeitet. Schon als Postdoc konnte er am dortigen Freie-Elektronen-Laser LCLS experimentelle Erfahrungen sammeln. Er gehörte zum Forscherteam, das ein neues Instrument zur ultraschnellen Elektronenbeugung entwickelte. Mit dieser hochauflösenden „Elektronenkamera“ war es den Wissenschaftlern gelungen, die weltweit schnellsten Bilder atomarer Bewegungen in Gasen aufzunehmen. Eine beispiellose Kombination aus Detailgenauigkeit und Geschwindigkeit, die es ermöglicht, vibrierende Moleküle zu filmen und zu beobachten, wie Bindungen während chemischer Reaktionen brechen und sich neu bilden.

Als Preisträger des mit 2,5 Millionen Dollar dotierten Early Career Award des US-amerikanischen Energieministeriums übernahm Markus Gühr die Leitung einer Forschergruppe am SLAC, die mit auf dieser Erfindung aufbaute. Die neue Technologie birgt das Potenzial für bahnbrechende Innovationen in der Energieerzeugung, der Chemie und Medizin, der Materialwissenschaft und vielen weiteren Anwendungsgebieten.

Dennoch kam Gühr 2016 zurück nach Europa. Die VolkswagenStiftung verlieh ihm eine Lichtenberg- Professur an der Universität Potsdam und bewilligte ihm für die „Erforschung der Energiekonversion an lichtangeregten Zuständen mit extrem ultravioletten Laserpulsen“ 1,3 Millionen Euro. Für die Universität Potsdam bot sich so die Chance, ein neues interdisziplinäres Forschungsfeld zu etablieren.

Das Wort Schwierigkeit muss nicht als existent gedacht werden

Nach der streng programmatischen Arbeit des Nationalen Labors in den USA empfindet Markus Gühr die Forschungsfreiheit, die eine deutsche Universität bietet, als bereichernd. „Die Gespräche mit den Kollegen, die etwas ganz anderes machen, erweitern permanent den eigenen Horizont“, sagt Gühr und hat inzwischen interessante Querverbindungen zur physikalischen Chemie, aber auch zur Biologie geknüpft. Als sich das Potsdamer Leibnizkolleg 2016 mit der ultraschnellen Quantenwelt befasste, war bereits zu erkennen, in welche Richtung die Zusammenarbeit gehen könnte. Während der Physiker Matthias Bargheer in seinem Beitrag den Röntgenblick auf Festkörper richtete, berichtete der Chemiker Peter Saalfrank, wie sich mithilfe ultrakurzer Laserpulse die extrem schnell ablaufenden Prozesse in Molekülen beobachten lassen. Markus Gühr schätzt es, „so tolle Forschergruppen in der Nähe zu haben“. In dieser enorm dynamischen Wissenschaftslandschaft sollte es schon bald möglich sein, ein Graduiertenkolleg oder einen Sonderforschungsbereich zu beantragen. Dafür sprechen auch der außergewöhnlich interessierte wissenschaftliche Nachwuchs und die Vielzahl experimentierfreudiger Doktoranden. „Zu lehren und gemeinsam mit den Studierenden zu arbeiten, ist für mich eine spannende Erfahrung“, sagt Gühr. „Ich profitiere davon sehr für meine eigene Forschung“, so der Professor, dessen Vorlesungen oft fließend in wissenschaftliche Übungen übergehen. „Da gibt es keine große Schwelle.“

Das Konzept des forschenden Studierens hält Gühr für den richtigen Weg, um Talente zu fördern. Auch deshalb hat er sich in die Diskussion zum Leitbild für die Lehre eingebracht, mit dem die Universität Potsdam in der Hochschuldidaktik neue Maßstäbe setzen will. Kritisch zu denken, mit offenen Prozessen umzugehen und komplizierte Probleme zu lösen, seien intellektuelle Fähigkeiten, die in der Wissenschaft wie in der Gesellschaft unverzichtbar sind. Auch das Scheitern gehöre dazu: „Wenn man etwas probiert und es klappt nicht, fällt immer etwas ab, woraus das eigentlich Neue entsteht.“ Oder, um es mit den Worten des Physikers Georg Christoph Lichtenberg zu sagen, nach dem die VolkswagenStiftung ihr erfolgreiches Förderprogramm für herausragende Wissenschaftler benannt hat: „Das Wort Schwierigkeit muß gar nicht für einen Menschen von Geist als existent gedacht werden. Weg damit!“

Der Wissenschaftler

Prof. Dr. Markus Gühr studierte und promovierte an der Freien Universität Berlin im Fach Physik. Er forschte am SLAC National Accelerator Labaratory in Stanford, bevor er 2015 als Lichtenberg- Professor an die Universität Potsdam kam.
E-Mail: mguehruni-potsdamde

Das Projekt

Lichtenberg-Professur der VolkswagenStiftung für die „Erforschung der Energiekonversion an lichtangeregten Zuständen mit extrem ultravioletten Laserpulsen“

Laufzeit: 2015 – 2019
Förderung: VolkswagenStiftung

 

Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal Wissen - Eins 2020 „Energie“ (PDF).