- 13.04.2026: Das Rektorat der Ruhr-Universität Bochum hat die Einrichtung des CCI genehmigt.
CCI
Center for Complex Interactions
Die Aufgabe des CCI besteht darin, das grundlegende Verständnis, die Vorhersage und die Steuerung nichtlinearer, rückkopplungsgetriebener komplexer Wechselwirkungen in physikalischen, biologischen und technischen Systemen zu fördern, wie sie beispielsweise zwischen Laserfeldern und Materie auftreten, um die Schaffung und Kontrolle von emergenten Strukturen, Zuständen und Dynamiken über verschiedene Skalen in Materie und Feldern gleichermaßen zu ermöglichen.
Das CCI bringt zu diesem Zweck Forschende aus den Bereichen Physik, Ingenieurwissenschaften, Chemie und verwandten Disziplinen zusammen, um zu erforschen, wie komplexe Wechselwirkungen für die Entwicklung neuer Materialien, Fertigungsprozesse und Technologien genutzt werden können. Das CCI soll als Plattform für große gemeinsame Forschungsinitiativen dienen, die Forschende an der Ruhr-Universität Bochum und an Partnerinstitutionen innerhalb der Universitätsallianz Ruhr und darüber hinaus miteinander vernetzen.
Aktuelles
Forschungsthemen
Das zentrale wissenschaftliche Ziel des Centers for Complex Interactions, CCI, ist es, ein tieferes Verständnis der grundlegenden Prinzipien der Emergenz durch komplexe Wechselwirkungen zu erlangen und die Komplexität zu nutzen, um vorhersagbare, steuerbare und letztlich programmierbare Ansätze zur Schaffung von Materialien und Strukturen durch emergente Prozesse zu entwickeln.
In der Natur, von der atomaren bis zur makroskopischen Skala, ist eine solche emergente Organisation allgegenwärtig, doch ihre bestimmenden Prinzipien sind nur teilweise verstanden. In solchen Prozessen, die durch nichtlineare Rückkopplung angetrieben werden und sich weit vom Gleichgewicht entfernen, produziert die kumulative Wirkung vieler individuell einfacher Schritte Ergebnisse, die sich qualitativ von denen eines jeden einzelnen Schrittes unterscheiden.
Der spezifische Mechanismus ist sekundär; was zählt, ist die Natur der Wechselwirkung und ihre Entwicklung unter wiederholter Anwendung. Dies ist eine inhärent multiskalige Perspektive, die von der atomaren bis zur makroskopischen Skala anwendbar ist; sie ermöglicht die Schaffung von Materialien mit adaptiven, selbstheilenden und ansonsten nicht zugänglichen Funktionalitäten. CCI ist in dieser grundlagenwissenschaftlichen Perspektive verwurzelt, verfolgt jedoch gleichzeitig Wege zu praktischer Umsetzung und technologischem Einfluss.
Fundamentale Prinzipien der Emergenz
Verständnis der universellen Mechanismen, durch die komplexe Wechselwirkungen zu emergenten Strukturen, Zuständen und Dynamiken über verschiedene Skalen führen. Dies umfasst die Rolle von Nichtlinearität, Rückkopplung, Fluktuationen und Nicht-Gleichgewichtsbedingungen bei der Gestaltung organisierter Komplexität in physikalischen, biologischen und technischen Systemen. Durch die Kombination von Ansätzen aus der Nichtgleichgewichts-Statistischen Physik und der nichtlinearen Dynamik stellen wir Fragen wie: Wie wählt ein nichtlineares und stark stochastisches System mit Zugang zu mehreren Zuständen zwischen ihnen aus, und warum?
Abb.: Theoretische Ansätze zum Verständnis und zur Nutzung komplexer Wechselwirkungen sind multidisziplinär und greifen auf Konzepte und Techniken aus der nichtlinearen und nichtgleichgewichtlichen Statistischen Physik, der Regelungstheorie und dem maschinellen Lernen zurück.
Programmierbare emergente Materialien
Verständnis und Nutzung komplexer Wechselwirkungen, um emergente Strukturen und Funktionalitäten von der atomaren bis zur mikroskopischen Skala zu schaffen, die durch lineare oder Gleichgewichtsprozesse nicht zugänglich sind. Solche Ergebnisse entstehen oft, wenn ein Prozessschritt ein Material nichtlinear modifiziert und dadurch seine Reaktion auf nachfolgende Iterationen verändert, so dass wiederholte Anwendungen qualitativ neue Ergebnisse liefern. Wir streben weiterhin danach, zu verstehen, wie gewünschte emergente Eigenschaften durch die Kontrolle einer kleinen Anzahl externer Parameter entlang nicht-gleichgewichtiger Pfade über zeitliche, räumliche und energetische Skalen hinweg erreicht werden können.
Abb.: Laserimpulse interagieren wiederholt mit einer Materialoberfläche. Jeder Impuls induziert nichtlinear nanoskopische Modifikationen, die die Reaktion der Oberfläche auf die nachfolgenden Impulse verändern, wodurch ein intrinsisches nichtlineares Feedback entsteht, das iterativ ein komplexes makroskopisches Muster aufbaut, gesteuert durch nur eine kleine Anzahl externer Parameter. Abbildung entnommen aus: https://arxiv.org/abs/2503.23474
Prädiktive Modellierung und Steuerung von Emergenz
Entwicklung von Methoden zur Untersuchung, wie emergente Strukturen oder Eigenschaften spontan aus der Systemdynamik entstehen, anstatt extern aufgezwungen zu werden, und wie Kombinationen von Eigenschaften, die traditionell als sich gegenseitig ausschließend betrachtet werden, erreicht werden können. Unser Ziel ist es, eine vorhersehbare Steuerung solcher Systeme zwischen makroskopischen Zuständen zu ermöglichen und die Ordnungsparameter zu identifizieren, die Übergänge zwischen ihnen unter Unsicherheit und stochastischen Störungen bestimmen. Wir integrieren die Theorie komplexer Systeme mit Ansätzen wie der Regelungstheorie, wissenschaftlichem maschinellem Lernen und datengetriebenem Modellieren.
Abb.: Phasenraumdarstellung, wie ein emergentes System von einem anfänglichen Betriebszustand in einen neuen gesteuert wird. Zunächst wird das System aus seinem bestehenden Betriebspunkt herausgedrängt (d.h. der bestehende Punkt wird destabilisiert), dann in einen neuen Bereich seines Phasenraums geführt und schließlich ermöglicht, in einen neuen Zustand zu konvergieren. Hier stellen die λ’s Steuerparameter dar, und x* bezeichnet den Systemzustand. Abbildungen entnommen aus: https://arxiv.org/abs/2510.05344
Pfadabhängige Fertigungssysteme
Wenn nichtlineare Rückkopplung eine Rolle spielt, können Fertigungssysteme und die von ihnen erzeugten Strukturen koevolvieren, und die endgültigen Ergebnisse können nicht auf isolierte Prozessschritte zurückgeführt werden. Stattdessen modifiziert jeder Verarbeitungsschritt den Zustand des Produkts auf eine Weise, die nachfolgende Schritte beeinflusst, was zu pfadabhängigen Ergebnissen, nicht-stationären Systemeigenschaften und emergenten makroskopischen Eigenschaften führt, die aus lokal gesteuerten Mikro- oder Mesostrukturen entstehen. Anstatt diese Effekte zu unterdrücken, ist unser Ziel, sie zu verstehen und zu nutzen, um kontrollierte Emergenz in der Fertigung zu ermöglichen, was zu verbesserter Leistung, Zuverlässigkeit, Ressourceneffizienz und sofort fehlerfreier Produktion führt.
Abb.: Fotografie einer typischen Laser-Materialbearbeitungsanlage, bei der ein Hochgeschwindigkeits-Scanner den Wechselwirkungspunkt des Lasers auf dem Material steuert.
Komplexe Felder und Laser-Materie Wechselwirkungen
Mithilfe modernster experimenteller Plattformen untersuchen wir, wie komplexe Felder und Materie durch nichtlineare Rückkopplung interagieren, um neue Strukturen und Funktionalitäten zu erzeugen. Insbesondere bieten ultraschnelle Laser-Materie-Wechselwirkungen einzigartige Vorteile für diese Bemühungen: Laserfelder ermöglichen präzise räumliche und zeitliche Kontrolle, können universell nichtlineare Antworten in einer Vielzahl von Materialien induzieren und treiben Systeme weit vom Gleichgewicht weg. Dies macht sie besonders geeignet für die Untersuchung und Nutzung von rückkopplungsgetriebenen Dynamiken. Gleichzeitig bieten komplementäre Ansätze, einschließlich Plasma-, elektrischer, mechanischer und chemischer Prozesse, zusätzliche Wege, um komplexe Wechselwirkungen jenseits von Lasern zu erschließen und zu kontrollieren.
Mitglieder
Wissenschaftliche Mitglieder
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Gründungsdirektor
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Die Gründung des CCI folgt der strukturellen Vision, die mit der Verleihung der Alexander-von-Humboldt-Professur an Prof. F. Ömer Ilday an der Ruhr-Universität Bochum verbunden ist.
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Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Fakultät für Physik und Astronomie
Ruhr-Universität Bochum
Über uns / Struktur
Das CCI orientiert sich am Streben nach wissenschaftlicher Exzellenz gemäß den höchsten internationalen Standards. Das Zentrum fördert konzeptionelle Innovation, interdisziplinäre Zusammenarbeit und risikoreiche Forschungsrichtungen. Wissenstransfer und technologische Wirkung werden als natürliche Erweiterungen seines wissenschaftlichen Auftrags betrachtet.
Gründungsphase
Das CCI wird in einer auf sechs Jahre befristeten Gründungsphase eingerichtet, mit dem ausdrücklichen Ziel, eine starke wissenschaftliche Identität, eine Governance-Kultur und internationale Sichtbarkeit zu schaffen. In dieser Phase liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung der intellektuellen und organisatorischen Struktur des Zentrums.
Führungskonzept
Die gesamte Führung des CCI orientiert sich am Streben nach wissenschaftlicher Exzellenz als oberstem Kriterium sowie am Motto „Built to Change“ mit einem adaptiven Führungskonzept und einer tief verwurzelten internationalen, vielfältigen und inklusiven Perspektive. Entsprechend diesem Ansatz werden der Gründungsdirektor und alle Co-Direktoren nur eine einzige Amtszeit absolvieren, wodurch die Leitung regelmäßig erneuert wird; von jedem Co-Direktor wird erwartet, dass er während seiner Amtszeit einen neuen thematischen wissenschaftlichen Schwerpunkt einführt und artikuliert.
Beirat
Wird noch bekannt gegeben.
Kontakt
Center for Complex Interactions (CCI)
Ruhr-Universität Bochum
ID-Gebäude – Raum E1-340
Universitätsstraße 150
44801 Bochum
Deutschland
Telefon: (+49)(0)234 / 32 - 27645
E-Mail: cci(at)ruhr-uni-bochum.de