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Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Besonders gut kamen in diesem Jahr neben den Lösungen, die ihre Farbe wechseln, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden und die Computersimulationen an. „Viele fanden es faszinierend, einmal ein 3D-Molekül am Rechner in jede Richtung drehen zu können und es sich von allen Seiten anzuschauen“, berichtet Insa Stamer, Leiterin des klick!:labors. Zusammen mit Hanno Pönicke und Mirjam Janke stellte sie an dem Tag die Mitmach-Experimente vor. „Ein Mädchen war sehr aufgeweckt, die wollte alles wissen.“ Regelrechte „Publikumslieblinge“ waren bereits die schaltbaren Alltagsgegenstände wie bunte Badeenten, Tassen, Sonnenbrillen, Stimmungsringe oder ein Autorückspiegel. Durch Wärme, Licht oder elektrischen Strom verändern sie ihre Farbe. Dahinter stecken schaltbare Moleküle, die ihre Strukturen und damit ihre Eigenschaften durch äußere Reize ändern können. Seit mittlerweile zehn Jahren werden sie im SFB 677 erforscht und für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten weiterentwickelt. „Wir sind mit der Kieler Woche sehr zufrieden und bestimmt auch im nächsten Jahr wieder mit dabei“, sagt Stamer.

Christian Feiler, geb. Schütt, arbeitete im SFB 677 zu molekularen Maschinen und schloss 2016 seine Promotion an der CAU erfolgreich ab. Auch sein Chemiestudium hatte er zuvor hier absolviert. Bereits im vergangenen Dezember hatte Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB 677, seinen damaligen Post-Doc für die Teilnahme an der Lindauer Nobelpreisträgertagung vorgeschlagen. Mehrere Monate dauert das aufwendige Auswahlverfahren, in das neben Empfehlungs- und Motivationsschreiben vor allem die eigene wissenschaftliche Arbeit einfließt. Dazu gehören bei Feiler unter anderem 21 Publikationen, die er während seiner Promotion verfasste - eine ungewöhnlich hohe Zahl. Feiler setzte sich zunächst innerhalb der CAU, anschließend auch auf internationaler Ebene durch. „Ich freue mich über die Gelegenheit, in Lindau so interessante Menschen zu treffen und mich über spannende Themen und neue Forschungsprojekte auszutauschen“, sagt Feiler. „Mich reizt das Interdisziplinäre der Tagung, das auch die Arbeit im SFB 677 auszeichnet.“

Als Mitarbeiter im SFB 677 entwickelte Feiler in Computersimulationen gezielt Moleküle mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Sie sollen unter anderem als schaltbare Kontrastmittel in der Medizin oder für den gerichteten Transport von nanoskaligen Partikeln über Oberflächen eingesetzt werden. Mithilfe der Berechnungen am Computer weiß er, welche Eigenschaften geplante Moleküle haben werden, noch bevor sie aufwendig im Labor realisiert wurden. „An der Nobelpreisträgertagung teilzunehmen, ist eine internationale Auszeichnung, zu der man nur einmal im Leben Gelegenheit hat“, weiß Professor Bernd Hartke, offizieller Ansprechpartner an der Uni Kiel für die Tagung.

Bei der 67. Lindauer Nobelpreisträgertagung treffen 29 Nobelpreisträger auf 420 ausgewählte Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler. Dazu gehören Studierende, Promovierende und Post-Docs unter 35 Jahren aus dem Fachbereich Chemie. Die seit 1951 jährlich stattfindende Tagung soll den wissenschaftlichen Austausch zwischen unterschiedlichen Generationen, Kulturen und Disziplinen fördern. Dazu bieten Vorträge, Podiumsdiskussionen und ein kulturelles Rahmenprogramm zahlreiche Gelegenheiten. Unter den teilnehmenden Nobelpreisträgern sind in diesem Jahr auch Bernard Feringa und Jean-Pierre Sauvage, die im vergangenen Jahr zusammen mit Fraser Stoddart für ihre Forschung an molekularen Maschinen mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurden.

Abb. © Julia Siekmann

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Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

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Das Konzept ging auf: Fünf interaktive Exponate aus verschiedenen Bereichen der Nanowissenschaft, eine intensive Betreuung vor Ort durch Promovierende aus den jeweiligen SFBs und Arbeitsgruppen, ergänzt durch Fachvorträge zu anwendungsnahen Themen. Der KiNSIS-Stand war kontinuierlich sehr gut besucht und lenkte die Aufmerksamkeit der Messebesucher auf sich, darunter der schleswig-holsteinische Wirtschaftsminister Reinhard Meyer und Wissenschaftsstaatssekretär Rolf Fischer. Mit viel Begeisterung und Einsatz vermittelten die Promovierenden die Vielfalt und Interdisziplinarität der Kieler Nanoforschung und führten zahleiche Gespräche u.a. mit namhaften Unternehmen aus dem In- und Ausland, aber auch vielen Schülerinnen und Schülern sowie Studieninteressierten.

Der SFB 677 zeigte auf der Hannover Messe, wie die Forschung an schaltbaren Molekülen für die medizinische Diagnostik eingesetzt werden könnte, zum Beispiel in Form von schaltbaren Kontrastmitteln: In den Körper injiziert werden sie durch einen Katheter oder die Haut mit Licht einer bestimmten Wellenlänge zwischen dem aktiven und dem inaktiven Zustand geschaltet. So wird die Diagnostik während einer Operation, zum Beispiel bei Schlaganfallpatienten, verbessert und deutlich längere Eingriffszeiten sind realisierbar. Außerdem lieferte der SFB 677 mit einer Installation von photoschaltbaren Spiropyran-Glaszylindern einen besonderen Hingucker an der Rückwand des KiNSIS-Standes: Die schaltbare Farbigkeit des gelösten Spiropyrans zog die Blicke der Besucher auf sich und bot eine sehr gute Gelegenheit, ins Gespräch zu kommen.

„Die Messe ist wirklich eine gute Möglichkeit, um Schüler für unser Fach zu interessieren. Als Chemiker habe ich hier auf der Messe aber auch selbst einen spannenden Einblick in die Industrie bekommen“, sagt Roland Löw, der den Stand für den SFB betreute, im Wechsel mit Florian Gutzeit. Beide promovieren in der organischen Chemie bei Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB. Gutzeit ergänzt: „Die Chance auf einer so großen Messe seine Arbeit zeigen zu können und großes Interesse zu erfahren, ist toll. Zusätzlich lernen wir hier so viele Firmen und Menschen kennen, denen wir sonst wohl nie begegnet wären.“ Herges machte sich vor Ort ein Bild des Standes und lobte die Exponate und die Betreuung: „Herzlichen Dank Herr Kampschulte für die Planung und den Aufbau des Standes. Mein ausdrücklicher Dank geht auch an Florian Gutzeit, Roland Löw und Jens Gröbner, die den Blickfang mit den beleuchteten Spiropyran-Glaszylindern gebaut und den Stand mit betreut haben.“ Dr. Lorenz Kampschulte (IPN/KiSOC): „Insgesamt war das viel Arbeit, aber wir haben es mit vereinten Kräften geschafft, in weniger als vier Monaten einen beeindruckenden Messeauftritt für KiNSIS hinzulegen.“ Der für die Messe hergestellte Tisch und die Exponate könnten auch in Zukunft für weitere Outreach-Veranstaltungen wie die Kieler Woche oder die Nacht der Wissenschaften zur Verfügung stehen.

Übersicht aller KiNSIS-Exponate

Abb. © Stefan Schwarzer

Abb. © Stefan Schwarzer

Bereits am 6.April präsentierte Insa Stamer das "klick!" beim ersten Weltmarktführer-Forum zum Schwerpunkt MINT in Schleswig-Holstein im Internat Louisenlund in Güby. Unter der Schirmherrschaft von Ministerpräsident Torsten Albig kamen dabei Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus Schleswig-Holstein auf dem Campus des Internats zusammen und tauschten sich über Forschung, Entwicklung und Innovationen aus.

Abb. © Julia Siekmann

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Der Schwerpunkt der Vorträge lag diesmal auf der Vorstellung von Methoden. „Es war uns ganz wichtig zu zeigen, mit welcher Breite von Methoden im SFB gearbeitet wird und dass sie allen Promovierenden für ihre Projekte zur Verfügung stehen“, sagt Alexander Schlimm. Der Koordinator des Graduiertenkollegs hat die WinterSchool zusammen mit der Doktorandenvertretung organisiert.

Den dritten Programmpunkt bildete eine Posterausstellung mit rund 32 Arbeiten. Sie bot den Promovierenden nicht nur die Möglichkeit, ihre Projekte zur kritischen Diskussion zu stellen, sondern auch, themenübergreifend Kontakte zu knüpfen. Daraus ergeben sich erfahrungsgemäß immer wieder neue Kooperationen, die das eigene Projekt mitvoranbringen können. „Es ist sehr interessant zu sehen, was es im SFB und darüber hinaus noch alles gibt. Das Transmissionselektronenmikroskop ist zum Beispiel super spannend“, sagt Florian Gutzeit, Doktorand aus der Organischen Chemie bei Professor Rainer Herges. Für Shuo Li, der erst Anfang des Jahres von der LMU München nach Kiel gekommen ist und in der Arbeitsgruppe von Professorin Anne Staubitz arbeitet, bot die WinterSchool eine willkommende Möglichkeit um die Promovierenden der anderen Arbeitsgruppen kennenzulernen. „In München gab es diese Vernetzung nicht, das ist völlig neu für mich. Aber auch die Laborführungen waren sehr informativ für mich.“ Mit der SummerSchool findet die nächste offizielle Netzwerk- und Austauschveranstaltung des Graduiertenkollegs vom 27. - 28. September statt. Weiterbildungen zu den Themen Präsentation, Soft Skills oder Englischkurse bietet das GK laufend an.

Abb. © Julia Siekmann

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„Konzentriert schauen Lisa, Natasha und Rabia auf die bunten, ineinander gewundenen Fäden am Computerbildschirm vor ihnen. Zu sehen ist ein Modell der Proteinstruktur des Bakteriums E. coli, das über den Zuckermantel (Glykokalyx) an menschliche Zellen anhaften kann. Per Mausklick drehen die drei Schülerinnen die 3D-Proteinstruktur in alle Richtungen und überlegen, wie sie das Anhaften – und damit die Entstehung von Krankheiten – verhindern können. „Wir könnten genau die Strukturen entfernen, mit denen das Bakterium sich festsetzt“, schlägt Lisa, 17 Jahre, vor. „Oder wir setzen etwas anderes daran, damit das Bakterium nicht mehr an die Zelle anhaften kann“, überlegt ihre Mitschülerin Rabia. Sie gehen in die 12. Klasse des Trave-Gymnasiums in Lübeck und haben heute die Schultasche gegen die weißen Laborkittel der Kieler Forschungswerkstatt getauscht. Insa Stamer ist Leiterin und eine der Betreuerinnen im klick!:labor und mit den Antworten der Schülerinnen zufrieden. „Das geht auf jeden Fall in die richtige Richtung“, sagt die Doktorandin der Chemiedidaktik im SFB 677.

Echte Forschungsfragen mit Experimenten untersuchen, wie sie auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Uni einsetzen – die Kieler Forschungswerkstatt will einen Einblick in den Wissenschaftsalltag geben. Im klick!:labor entwickelten Didaktik-Expertinnen und Experten spezielle Angebote für die Klassenstufen von 8 bis 10 und von 10 bis 13 zu den besonderen Eigenschaften von Materialien und Stoffen der Nano-Welt und den Methoden, mit denen sie sich untersuchen lassen. Eines davon ist die Computersimulation, eine komplett neuentwickelte Station im klick!:labor. „Simulationsprogramme werden immer wichtiger in der wissenschaftlichen Arbeit. Dabei wissen viele Studierende nicht einmal, dass es so etwas wie theoretische Chemie gibt“, erklärt Insa Stamer. Bei den drei Schülerinnen kommt die neue Experimentierstation jedenfalls sehr gut an. „Als ich gelesen habe, dass es hier um theoretische Chemie geht, habe ich erst gedacht, das könnte langweilig werden. Aber es war spannend, durch die Simulation etwas zu sehen, was sonst gar nicht sichtbar ist“, sagt Lisa. Rabia ergänzt: „Dass wir hier selbst ausprobieren können, nimmt die Angst vor Chemie. Ich dachte erst, wie soll ich das mit der Computersimulation schaffen, aber dann war es gar nicht so schwierig.“ Die 17-Jährige kann sich gut vorstellen, nach ihrem Abitur an der CAU zu studieren, am liebsten Biologie.

Zusammen mit ihrer 12. Klasse ist an diesem Morgen Chemie- und Mathematiklehrerin Juliane Hülse mit dem Zug nach Kiel gekommen. „Ich komme schon seit drei Jahren mit meinen Klassen ins klick!:labor. Hier gibt es viele Experimente, die wir in der Schule gar nicht machen können. Außerdem sehen die Schülerinnen und Schüler, wie die Arbeit in den Laboren aussieht.“ Im Chemieunterricht behandeln sie zurzeit das Thema „Werkstoffe“, da bot sich die Exkursion zu Nanomaterialien an. Anhand von Unterlagen des klick!:labors hat Juliane Hülse den Besuch vorbereitet. An insgesamt sechs Stationen können die Schülerinnen und Schüler an diesem Tag arbeiten, fachkundig begleitet von Mitarbeitern, Promovierenden und Studierenden.

An einer anderen Station des klick!:labors untersucht das Schülerinnen-Trio Lisa, Natasha und Rabia ihre eigenen Haarsträhnen. Bei einem Haardurchmesser von gerade einmal 50 µm können die Schülerinnen die sogar unebene Feinstruktur der Haaroberfläche im Größenbereich von wenigen Nanometern abbilden lassen. Das wäre auf diese Art mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop nicht möglich. Im klick!:labor können sie wie echte Wissenschaftlerinnen mit dem bereitgestellten Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop arbeiten und derartige Oberflächen unter anderem mit einer sehr feinen Nadel untersuchen. Dem 17-Jährigen René hat es besonders der selbst abblendende Autorückspiegel an der Station mit dem Titel „Alltagsschalter“ angetan: „Es gibt verschiedene Alltagsgegenstände wie Tassen, Sonnenbrillen oder dieser Autorückspiegel, die durch äußere Einflüsse ihre Farbe verändern. Das kann Wärme, Licht oder, bei dem Rückspiegel, ein simpler Knopfdruck und damit elektrischer Strom sein. Cool, wenn man jetzt weiß, wie das funktioniert.“ Hinter den Alltagsschaltern stecken besondere Verbindungen, die durch äußere Einflüsse ihre Struktur und somit auch ihre Eigenschaften reversibel verändern können. Auf diese Weise können zum Beispiel Moleküle „an- und ausgeschaltet“ werden. Friederike und Julia stellen währenddessen mithilfe einer 400 °C heißen Heizplatte und einem Wassertropfen zum ersten Mal Gold-Nanopartikel her. „Wir machen ganz andere Versuche als in der Schule“, sind sie erstaunt. Angeleitet werden sie dabei von klick!:labor-Betreuer Klaus Ruppersberg.

Auch die Form eines Wassertropfens auf unterschiedlichen Gegenständen zu untersuchen und den Kontaktwinkel zwischen diesen zu vermessen, war den Schülerinnen und Schülern bisher neu. Diese neue Experimentierstation bietet die Gelegenheit, verschiedene Alltagsmaterialien (Tulpenblätter, Markisenstoff, …) auf ihre Hydrophobizität zu untersuchen. „Mir hat die Station mit den Computersimulationen besonders gefallen“, sagt Lisa in der gemeinsamen Abschlussrunde. „Ich fand gut, dass auch unser Wissen gefragt war und wir nicht nur Sachen vorgegeben bekommen haben.“ Bestimmt kommt Lehrerin Juliane Hülse dann auch mit ihrer nächsten Klasse wieder ins klick!:labor. Weitere Infos zum Programm für Schulklassen: www.forschungs-werkstatt.de/labore/klicklabor

„Das Programm bietet sehr flexible Möglichkeiten für eine enge Zusammenarbeit. Wir freuen uns sehr, dass wir darüber führende Experten zusammenbringen können, um komplexe wissenschaftliche Probleme zu lösen“, erläutert Richard Berndt. „Die schaltbaren Moleküle unserer Kollegen aus der Chemie und die von meinen Doktoranden entwickelte experimentelle Ausstattung sind einzigartig“, so Berndt. „Damit kann man sehr ungewöhnliche Daten erhalten.“ Spezielle Instrumente für die Analyse von Daten zu entwickeln, ist einer der Schwerpunkte des Donostia International Physics Center in San Sebastian, Spanien. Hier forscht die Theoretische Physikerin Arantzazu Garcia Lekue als Ikerbasque Research Fellow. „Als Theoretikerin entwickle ich Methoden, um die Realität zu simulieren. Komplexe Computerprogramme können uns dabei helfen, kleinste Objekte wie Atome oder Moleküle und ihr Verhalten besser zu verstehen – zum Beispiel den Transport von Elektronen durch Nanostrukturen”, beschreibt sie ihre Arbeit. „Durch Experimente wie die der Kollegen hier in Kiel kann ich meine Methoden testen. Ich freue mich sehr, dass ich in dieser Gruppe hier in Kiel arbeiten konnte.“

Marie-Laure Bocquet arbeitet als Directrice de Recherche am Centre National de la Recherche Scientifique und an der École normale supérieure in Paris. „Die Arbeitsgruppe hier in Kiel hat entdeckt, dass bestimmte Biomoleküle völlig unerwartet magnetisch werden, wenn man sie unter Spannung setzt.“, so Marie-Laure Bocquet. „Wir hofften, dass jemand mit außergewöhnlichen Fähigkeiten in der theoretischen Chemie unsere Beobachtungen erklären könnte““, erläutert Professor Berndt, warum er die physikalische Chemikerin bat, für einen längeren Aufenthalt nach Kiel zu kommen.

Vor allem die täglichen Diskussionen mit Doktorandinnen und Doktoranden sowie Kollegen aus dem SFB erlebten die beiden Wissenschaftlerinnen als große Bereicherung. „Im Arbeitsalltag kommt das leider doch oft zu kurz kommt“, sagt Marie-Laure Bocquet. Dr Garcia Lekue ergänzt: „Es ist einfach etwas anderes, wenn du direkt in das Büro deines Kollegen gehen kannst als über mehrere Tage E-Mails hin und her zu schreiben. So sind ganz andere, viel fokussierte Diskussionen möglich.“

Beide Mercator-Fellows waren zum ersten Mal in Kiel, aber die enge Zusammenarbeit wird auch nach dem Ende dieses Aufenthalts weiter gehen, sind sie sich sicher. Schließlich arbeiten Marie-Laure Bocquet und Arantzazu Garcia Lekue an gemeinsamen Publikationen mit Richard Berndt und seiner Arbeitsgruppe.

„Ich kenne Bernard Feringa persönlich gut und habe ihm sofort gratuliert. Der Nobelpreis ist mehr als verdient, schließlich hat er mit seiner wissenschaftlichen Pionierarbeit einen entscheidenden Beitrag zur Entwicklung der molekularen Nanotechnologie geleistet“, so Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB 677. „Feringa war der erste, der einen molekularen Motor entwickelt und in ein molekulares Auto eingebaut hat.“ Als der Professor für Chemie an der Universität Groningen im vergangenen Jahr mit der Diels-Planck-Lecture ausgezeichnet wurde – eine Erinnerung an die Nobelpreisträger Max Planck und Otto Diels, die Begründer der Nanowissenschaften in Kiel – hielt Herges die Laudatio und war sich schon damals sicher: „Bernard Feringa ist einer der kreativsten und produktivsten Chemiker der Gegenwart.“

Nacht der Wissenschaften 2016
Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Nacht der Wissenschaften 2016
Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Nacht der Wissenschaften 2016
Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Nacht der Wissenschaften 2016
Abb. © Julia Siekmann

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Nacht der Wissenschaften 2016
Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Auch wenn es seine erste Nacht der Wissenschaften ist: Lasse kennt sich bereits aus. Routiniert zeigt der 8-Jährige den anderen Kindern am Stand des SFB, was es mit den bunten Gummienten, die auf dem Tisch verteilt sind, auf sich hat. Lasse nimmt verschiedene Enten, strahlt sie mit einer Taschenlampe an und stellt triumphierend fest: „So passiert nichts – aber haltet sie mal ins Wasser!“ Der junge Nachwuchsforscher drückt die Ente dem 9-jährigen Simon in die Hand, der mit seiner Mutter zum Stand gekommen ist, und zeigt auf eine Tasse mit Wasser: „Aber Vorsicht, das ist heiß!“. Erst als Simon die Ente in das warme Wasser legt, passiert etwas: Ihre Farbe verändert sich von blau zu grün und wird nach einigen Minuten wieder blau. „Hä? Wie funktioniert das denn?“ fragt Simons Mutter erstaunt.

Der 7-jährige Nis ist aus Rendsburg mit seiner Familie zur Nacht der Wissenschaften gekommen. Sein Opa hat gelesen, dass Besucher auch „eigene Schalter“ mitbringen können, also hat Nis sein Matchbox-Auto eingesteckt, das die Farbe wechseln kann. Als er das Auto vorsichtig ins warme Wasser tunkt, bekommt es einen gelben Schimmer. „In deinem Auto sind zwei Farbstoffe. Je nachdem, wie warm es in seiner Umgebung ist, bevorzugt es die eine oder andere Farbe“, erklärt Dr. Stefan Schwarzer. Er betreut den Stand zusammen mit Insa Stamer, beide arbeiten im Teilprojekt Öffentlichkeitsarbeit des SFB. Seit dem Nachmittag stehen sie abwechselnd in der Mensa und erklären kleinen und großen Besuchern, wie die bunten Objekte funktionieren, die sie an ihrem Stand ausprobieren können. Auch Filme und Info-Blätter erläutern, wie die sichtbaren Veränderungen mit externen Reizen zusammenhängen und wieso es sich hier um „chemische Schalter“ handelt.

Vor dem Stand hat sich mittlerweile eine Traube von Erwachsenen und Kindern gebildet. „Als unsere Kinder klein waren, hatten sie Besteck, das sich verfärbte, wenn das Essen noch zu heiß war. Das ist doch so ähnlich?“, erinnert sich ein Vater. Die Enten sind eindeutig der Liebling der Besucher, aber auch Stimmungsringe, eine Sonnenbrille und ein Autorückspiegel laden zum Ausprobieren von chemischen Schaltern ein: Bei welchen Reizen – Wärme oder Licht – ändern sich die Farben oder verdunkeln sich die Sonnenbrillen? „An chemischen Schaltern forschen wir in unserem Sonderforschungsbereich hier an der Uni“, erläutert Schwarzer den älteren Besucherinnen und Besuchern. „Ein langfristiges Ziel ist es zum Beispiel, Medikamente zu entwickeln, die erst dann gezielt ‚angestellt‘ und damit aktiviert werden, wenn sie in den kranken Bereichen des Körpers angekommen sind“

Die Bilanz der beiden SFB-Mitglieder zur ersten Nacht der Wissenschaft fällt sehr positiv aus: „Mit so einem Andrang von Klein und Groß haben wir im Vorfeld gar nicht gerechnet. Der Stand war seit dem Beginn am Nachmittag durchweg sehr gut besucht“, so Stefan Schwarzer. Insa Stamer: „Selbst nach 22 Uhr wurde noch interessiert nachgefragt, was es mit den farbwechselnden Badeenten auf sich hat und wofür molekulare Schalter sonst noch verwendet werden."

„Was auf den ersten Blick wie Spielerei aussieht, könnte durchaus die Grundlage für eine neue Technologie legen, nämlich die Entwicklung von molekularen Maschinen. Dieses Arbeitsgebiet, an dem wir in unserem SFB arbeiten, wurde dieses Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis an die drei Chemiker Jean-Pierre Sauvage, James Fraser Stoddart und Bernard Feringa ausgezeichnet, sagt Rainer Herges, Sprecher des SFB.

SFB 677 Herbstmeeting in der Globetrotter Lodge (Hüttener Berge)
Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Prof. Dr. Rainer Herges, Sprecher des SFB: „Bei so einem großen Gemeinschaftsprojekt ist es sehr wichtig, immer auf dem aktuellen Stand zur Forschung der Kollegen zu sein. Durch konstruktive, kritische Diskussionen bekommen wir Inspiration für weitere Ideen und Lösungsvorschläge für offene Probleme. Denn Physiker und Chemiker sehen dieselbe Sache immer aus einem anderen Blickwinkel.“

Auch Doktorandinnen und Doktoranden sowie Postdocs nahmen an dem Meeting teil und hatten Gelegenheit, über ihre Projektgruppen hinweg zu ihrer Arbeit ins Gespräch zu kommen. „Nano-Forschung an der Spitze des internationalen Wettbewerbs ist nur mit einer sehr teuren und hochspezialisierten Geräteausstattung möglich. Junge Nachwuchswissenschaftler könnten sich das als „Einzelkämpfer“ gar nicht leisten. Der SFB bietet hier auch eine Plattform für Infrastruktur“, so Herges.

In 31 Teilprojekten arbeiten die Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Molekülen, die wie Maschinen funktionieren und sich per Licht, mechanische Beanspruchung oder Elektronenflusszwischen verschiedenen Zuständen hin- und her schalten lassen. In der dritten Förderperiode, für die von der DFG nochmals über 10 Millionen Euro zur Verfügung gestellt wurden, stehen die Untersuchung grundlegender Effekte auf der Nanoskala und die Anwendung in Medizin und Materialwissenschaften im Fokus. Denkbar ist zum Beispiel die Entwicklung medizinischer Wirkstoffe, die sich erst am Krankheitsherd aktivieren und gesundes Gewebe unbeschadet lassen. Oder die Herstellung von Materialien, die durch den Wechsel ihrer Farbe anzeigen, dass sie brüchig werden und ausgetauscht werden müssen – und damit für die Industrie sehr interessant sein können.

„Wir Chemiker synthetisieren Moleküle, die Physiker messen anschließend ihre Eigenschaften. Darüber können wir prüfen, ob wir wirklich die Moleküle entwickelt haben, die wir wollten“, erläutert Franziska Reise, Doktorandin der Organischen Chemie. Im SFB 677 arbeiten Forscherinnen und Forscher aus der Chemie, Physik und Materialwissenschaft gemeinsam an molekularen Maschinen, die sie gezielt steuern und durch externe Einflüsse „anschalten“ können. „Auf Veranstaltungen wie der Summerschool können wir uns den Stand unserer Projekte gegenseitig ausführlich vorstellen und zeigen, woran wir gerade genau arbeiten“, sagt Reise.

Für die komplexen Forschungsfragen des SFB ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit zentral. Die Summerschool ist deshalb fester Bestandteil, um den Austausch über die Arbeitsgruppen hinaus zu fördern. „Wir kommen aus verschiedenen Fachrichtungen, die auf dem Campus zum Teil auch räumlich getrennt sind. Hier treffen sich alle, kommen miteinander ins Gespräch und es entstehen Kooperationen für die eigene Forschung“, sagt Alexander Schlimm. Der Koordinator des Graduiertenkollegs organisierte die Summerschool gemeinsam mit seinem Team. Nicht zuletzt ist die Veranstaltung ein wichtiger Teil der Promovierendenausbildung im Graduiertenkolleg.

Der erste Tag der Summerschool stand ganz im Zeichen der Forschungsprojekte der Promovierenden. „Neben den Vorträgen ist das eigentliche ‚Herzstück‘ der Veranstaltung die Postersession“, erklärt Schlimm. „Hierbei stehen wir im direkten Kontakt miteinander und können anhand der Darstellungen auf dem Poster viel detaillierter diskutieren“, erklärt Tammy Jacobsen-Bialas, die in der Anorganischen Chemie promoviert. „Oft bekommt man dabei hilfreiche Anregungen aus den anderen Bereichen. Denn als Einzelkämpfer kommen wir bei diesen komplexen Forschungsthemen nicht weiter.“

Am zweiten Tag stand die Weiterbildung im Vordergrund. Externe Referenten stellten ihre Forschungen vor und Alumni der CAU gaben Einblicke ins Berufsleben, auch jenseits der wissenschaftlichen Karriere. „Ehemalige Doktoranden unseres SFB berichten von ihrer Arbeit in der Industrie, von ihrem Weg dahin und worauf es bei Bewerbungen ankommt“, fasst Schlimm das Konzept zusammen.

Seit 2007 wird der Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert und an der CAU realisiert. 2011 richtete der SFB 677 ein eigenes Graduiertenkolleg für den wissenschaftlichen Nachwuchs ein. Die Doktorandinnen und Doktoranden erhalten dort eine gezielte Förderung über Sommerschulen, Vorlesungen und Diskussionsgruppen.

Abb. © Julia Siekmann

Abb. © Julia Siekmann

Gerade einmal vier Doktorandinnen und Doktoranden sitzen in dem Seminarraum und sprechen solange die Vokale „e“ und „i“ auf Englisch aus, bis der Unterschied sitzt. Mit vier Personen ist der Kurs ausgebucht – die geringe Teilnehmerzahl gehört zum Grundkonzept. „Mit 16 Teilnehmern haben wir vor einigen Jahren angefangen, haben aber schnell gemerkt, dass es so nicht funktioniert“, sagt Gary Owston. Seit sechs Jahren unterrichtet der gebürtige Brite, der neben Sprachlehrer und Dialektcoach auch ausgebildeter Schauspieler ist, den Kurs am SFB 677 der Universität Kiel.

Schnell wird deutlich, dass der Englischkurs mehr ist als Sprachübungen. Es geht vor allem auch darum, seine wissenschaftlichen Ideen klar und verständlich darzustellen. „Wie schafft ihr es bei einer Präsentation, dass euer Publikum eure Arbeit genauso spannend findet wie ihr selbst?“ fragt Gary die Seminarteilnehmerinnen und -teilnehmer. Dazu gehören nicht nur die deutliche Aussprache und die richtige Betonung der englischen Fachvokabeln. Als Schauspieler weiß Gary genau, wie wichtig Körpersprache und die „Show“ ist: Sind die Schaubilder und Diagramme einer Präsentation eindeutig und „eyefriendly“? Steht nur so viel Text wie nötig auf den Folien, damit die Zuschauerinnen und Zuschauer auch Gelegenheit haben, dem mündlichen Vortrag zu folgen? Ist die Stimmlage des Vortragenden abwechslungsreich, damit sie gut zuhören können?

Basierend auf den Bedarfen der Promovierenden hat Gary seinen Kurs über die Jahre immer weiterentwickelt. Mittlerweile besteht er aus vier Modulen: Aussprache, Vortragspräsentation, Posterpräsentation und Bewerbungsgespräch. Bei den Doktorandinnen und Doktoranden kommen die Kurse gut an. Das sagen nicht nur die Evaluationsbögen, sondern auch die Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Seminars Anfang August. „Für mich ist es immer gut, die englische Aussprache zu üben“, sagt Shuangqing Wang, Doktorand in der physikalischen Chemie. „Und die Präsentation, die ich hier im Kurs übe, ist dieselbe, die ich auch bald ‚im echten Leben‘ im Seminar halten werde. Deshalb bin ich sehr froh, in Garys Kurs zu sein.“ Außerdem helfe ihm der Kurs besser mit seinen Kollegen im Labor zu kommunizieren.

„Von den Arbeitsgruppen bekommen wir häufig die Rückmeldung, dass die Kommunikation nach dem Besuch des Englischkurses besser klappt. Mittlerweile arbeiten in fast jeder Gruppe auch internationale Mitglieder, deshalb wird fast überall Englisch gesprochen“, sagt Alexander Schlimm, der seit Mai diese Kurse organisiert. Sie sind Teil des Weiterbildungsangebots des Graduiertenkollegs, zu dem auch Kurse wie Projekt- oder Zeitmanagement gehören. Sie werden durch die Mittel des DFG finanziert und ist damit für die Teilnehmerinnen und Teilnehmer kostenlos. Schlimm hat auch selbst bereits an Garys Kurs teilgenommen. „Ich fahre im November auf eine Tagung, bei der ich ein Poster auf Englisch vorstellen werde. Dafür war der Kurs sehr hilfreich, aber auch allgemein ist mein Englisch ist schon viel besser geworden“, sagt der Doktorand der Anorganischen Chemie.

Gary plant bereits, seinen Englischkurs um ein weiteres Modul zu ergänzen: Rhetorik. „Das ist die Kunst der effektiven, wirkungsvollen Rede. Viele Vorträge konzentrieren sich auf Fakten und wirken dadurch oft langweilig. Die Frage ist, wie bleiben die Leute an deinem Vortrag dran? Das ist auch wichtig für die Lehre.” Einer seiner Lehrer habe ihm mal den Rat gegeben „When they laugh, they learn“. Das gilt nicht zuletzt für Garys eigenen Unterricht.

Interessenten können sich für den nächsten Kurs anmelden bei:
Alexander Schlimm
Koordination Graduiertenkolleg
Tel. (0) 431 880 5816
E-Mail: aschlimm@ac.uni-kiel.de

Physik-Nobelpreisträger Theodor Hänsch lässt sich die angebotenen Experimente erklären

Abb. © Peter Wulff, IPN

Abb. © Peter Wulff, IPN

In einem Impulsvortrag wurde ein einleitender Überblick über die mitgebrachten Experimentierstationen und die zu Grunde liegenden Lernziele und fachdidaktischen Überlegungen gegeben. So wurde beleuchtet, welche Rolle wissenschaftstheoretische und -philosophische Aspekte für einen Zugang zu physikalischen Konzepten spielen können. Ein Verständnis des Wesens naturwissenschaftlicher Theorien und ihrer Vorläufigkeit kann etwa dabei helfen, gängige Schülervorstellungen von Energie als quasi-materieller Substanz zu hinterfragen und ihnen ein adäquateres Bild von Energie als theoretischem Denkmodell entgegenzusetzen. Ausgewählte Versuche aus dem Schülerlaborprogramm klick! in der Kieler Forschungswerkstatt, z.B. zur Schichtdickenbestimmung oder zur Rasterkraftmikroskopie, gaben einen Einblick in aktuelle Forschungsthemen des SFB 677. Ein Einblick in die theoretischen und experimentellen Klausuren der IPhO sowie in einen speziellen Ansatz zur Förderung junger Frauen in der IPhO rundeten das Workshopangebot ab.

Mit den Mikroskopen im klick!:labor lassen sich winzige Strukturen untersuchen.

Abb. © Schimmelpfennig

Abb. © Schimmelpfennig

Nachweis von Nanopartikeln.

Abb. © Schimmelpfennig

Abb. © Schimmelpfennig

Quietscheentchen als chemische Schalter bauen im klick!:labor Berührungsängste mit dem Thema ab.

Abb. © Schimmelpfennig

Abb. © Schimmelpfennig

Was ist Nanotechnologie und wo kommen wir damit im Alltag in Berührung? Welche Methoden gibt es, Atome und Moleküle zu untersuchen und zu schalten? Das klick!:labor in der Kieler Forschungswerkstatt ist eine Maßnahme des SFB677 hochaktuelle Fragestellungen schon mit Zehntklässlern zu erarbeiten und Einblicke in die Arbeit von Fachwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern zu geben. Nun haben sich die IGK-Teilnehmenden das Angebot in der Forschungswerkstatt genauer angesehen und selbst in der Rolle von Schülerinnen und Schülern experimentiert: Der Auftakt zu einer noch intensiveren Zusammenarbeit zwischen naturwissenschaftlicher Forschung und Öffentlichkeitsarbeit im SFB.

Einige Doktorandinnen und Doktoranden staunten bei Ihrem Besuch nicht schlecht, denn trotz der komplexen Materie sind die Experimente und die Technik so spannend und alltagsnah aufbereitet, dass Schülerinnen und Schüler stets motiviert bei der Sache bleiben. Die jungen Physikerinnen und Physiker, Chemikerinnen und Chemiker aus dem SFB ließen sich gerne auf dem Areal im Botanischen Garten der Kieler Universität herumführen, hantierten selbst mit farbwechselnden Quietscheentchen als Beispiel für einen chemischen Schalter und ließen sich die eigens für das Labor angeschafften Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskope zeigen. „Unser Angebot soll Lust auf die Naturwissenschaften wecken und fördern“, sagte Dr. Stefan Schwarzer, der das Labor im Projekt Öffentlichkeitsarbeit aufgebaut hat. Aber nicht nur Schulklassen dürfen sich an den verschiedenen Stationen austoben. Das Labor bietet auch Lehrerfortbildungen an. Viele Lehrerinnen und Lehrer nehmen Anregungen für Experimente mit in den Schulunterricht.

Im zweiten Teil des Winter Meetings stellten die Doktorandinnen und Doktoranden Ergebnisse ihrer aktuellen Forschung vor. Dies geschah in Form von interdisziplinären Vorträgen sowie einer geselligen Postersession. Die Doktorandinnen und Doktoranden nutzten diese Möglichkeit, um sich in lockerer Atmosphäre einen detaillierten Überblick über die vielseitigen, verschiedenen Forschungsarbeiten ihrer Kolleginnen und Kollegen und damit des Gesamtforschungsverbundes zu verschaffen. „Oft ergeben sich gerade in intensive Diskussionen am Poster spannende Ideen für weitere Kooperationen oder auch Lösungsansätze noch offener Fragen“, erklärte Torben Jasper-Toennies, der Koordinator des IGK und Organisator des Winter Meetings.

Ziel der engeren Zusammenarbeit von IGK und TPÖ im SFB ist der Austausch zwischen den Naturwissenschaften und der Öffentlichkeitsarbeit: „Unser Projekt ist auf das Wissen und die Ideen der Forschenden zum Beispiel für neue Experimente angewiesen“, sagten Parchmann und Schwarzer, „Gleichzeitig können wir den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern helfen, ihre Arbeit besser zu kommunizieren, eine heutzutage im Wissenschaftsbetrieb unverzichtbare ‚soft skill‘.“ Nach dem erfolgreichen Auftakt sollen weitere gemeinsame Veranstaltungen wie zum Beispiel ein Workshop zum Thema Wissenschaftskommunikation folgen. Das Winter meeting organisierten die Doktorandinnen und Doktoranden des SFB 677 nach dem Konzept „from doctoral to doctoral researchers“ komplett eigenverantwortlich. Wünsche und Bedürfnisse der Teilnehmenden fanden so direkt Eingang in die Planung.

Schaltbare Moleküle? Per Video, Text und Bild brachte die Ausstellung Nanoforschung auch auf die Kieler Woche.

Abb. © Raissa Nickel

Abb. © Raissa Nickel

Wissenschaft im Einkaufszentrum: Im Kieler Sophienhof konnten Besucherinnen und Besucher einige Tage lang die Forschung rund um den Nanokosmos bestaunen.

Abb. © Jürgen Haacks

Abb. © Jürgen Haacks

Die Ausstellung auf der CAU-Jubiläumsmesse begeisterte auch das junge Publikum.

Abb. © Denis Schimmelpfennig

Abb. © Denis Schimmelpfennig

„-100 / heute / +100“ nannten die Köpfe der Sonderausstellung, Dr. Stefan Schwarzer und Dr. Lorenz Kampschulte vom IPN, ihr Konzept. Anhand verschiedener Module konnten Besucherinnen und Besucher der Ausstellung dem Weg des Erkenntnisgewinns folgen: von den Grundlagen von Nano- und Oberflächenwissenschaften über die Forschungsprojekte bis hin zu bereits auf dem Markt vorhandenen und zu erwartenden Produkten. Portraits herausragender Forscher, unter Ihnen Kieler Nobelpreisträger wie Max Planck und Otto Diels, brachten eine persönliche Ebene in das Thema. Tief eintauchen in die Meilensteine der Kieler Nano- und Oberflächenforschung konnten Interessierte mittels einer digitalen Forschungszeitleiste, auf der nach Belieben durch die Jahrhunderte gereist werden konnte. Dazu erläuterten echte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Exponate und erzählten aus ihrem Alltag an der Universität.

Eine weitere Besonderheit des Ausstellungskonzepts: Nicht die Besucherinnen und Besucher mussten zur Ausstellung kommen, die Ausstellung kam stattdessen dorthin, wo die Menschen waren: auf die Jubiläumsmesse der Uni Kiel, zum Empfang der Industrie-und Handelskammer, in das Einkaufszentrum Sophienhof, auf das Campusfest der CAU und in das Kieler Rathaus. Möglich machte das eine ausgeklügelte schnelle Auf- und Abbauweise der einzelnen Module. Viele Menschen wurden so erreicht, die normalerweise wenig mit der Nanoforschung in Berührung kommen. Erstaunen löste die Erkenntnis bei einigen aus, wie weit die Nanotechnologie unseren Alltag bereits durchdringt: als Beschichtung auf unseren Jacken, in unseren Sonnenbrillen, Autolacken und vielem mehr.

„Die Ausstellung gibt auf wunderbar verständliche Weise wieder, woran wir forschen“, sagt Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB 677, „Wir freuen uns sehr, dass sie von den Besucherinnen und Besuchern so gut angenommen wurde und so einen wichtigen Beitrag nicht nur zum Jubiläum der Universität leisten konnte.“

Axitinib weist eine Struktur auf, die sich unter UV-Bestrahlung zwischen zwei Zuständen (Isomeren) hin- und herschalten lässt. Eigentlich vermeidet man solche Strukturen bei Wirkstoffen, da Medikamente möglichst stabil sein sollen und sich durch äußere Einflüsse nicht verändern dürfen. Die Photoschaltbarkeit von Axitinib ist also zufällig und lag bei der Entwicklung des Wirkstoffes nicht im Fokus. „Wir wollten uns dieses Strukturmerkmal zu Nutze machen und erforschen, ob sich die biologische Wirkung von Axitinib mit Hilfe von UV-Bestrahlung örtlich und zeitlich kontrolliert an- und abschalten lässt. Dies ist uns in vitro zum Teil auch gelungen“, erklärt Dorian Schmidt.

Wie das Team dabei vorging, zeigt Schmidts Poster auf besondere Weise: Über ein eingebettetes Tablet können 3D-Animationen abgerufen werden, welche die Modelle der unterschiedlichen Axitinib-Isomere bei der Proteinbindung zeigen. Zugehörige Erklärungen sind über einen Bluetooth-Kopfhörer zu hören. Mit der Auszeichnung für das beste Poster der Tagung bekam Dorian Schmidt auch eine Büchergutschein über 150 Euro.

Über das Projekt „Photoschaltbare Proteinkinase-Inhibitoren für innovative Therapien in der Krebsbehandlung“ berichten die Forschenden auch in einem Video-Podcast.

Dadurch gelang es, die Umschaltmechanismen mehrerer für den SFB 677 zentraler Schaltmoleküle, wie etwa Azobenzole und Furylfulgide, sehr detailliert zu analysieren und vollständig aufzuklären. Dies wiederum erlaubt es, diese Moleküle gezielt zu verbessern, also molekulare Schalter zu entwickeln, die selektiver und gezielter von einem Zustand in den anderen geschaltet werden können und deren Umschaltung effizienter und robuster verläuft. Dies verbessert die Einsatzmöglichkeiten dieser molekularen Schalter, zum Beispiel in Funktionsmaterialien oder als Antriebseinheiten molekularer Maschinen. Dieser Film zeigt einen solchen Entwicklungsschritt: Eine zusätzliche Verbrückung der beiden Phenylringe eines Azobenzols verbessert dessen Schalteigenschaften, weil dadurch die Anregungswellenlängen für die beiden Schaltrichtungen voneinander getrennt werden. Zusätzlich verkürzt die Verbrückung die Umschaltbewegung des Moleküls und unterdrückt störende Nebenbewegungen, die die Schalteffizienz reduzieren würden.

In unserer DNA treten die Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin auf. Mit ultrakurzen Lichtblitzen schossen die Chemikerinnen und Chemiker auf mit UV-Licht angeregte Basenpaare aus Guanin und Cytosin. Nur mit Hilfe dieser als Femtosekundenspektroskopie bezeichneten Methode konnten sie den schützenden molekularen Mechanismus offenlegen. Denn dieser spielt sich innerhalb weniger Billiardstel Sekunden ab.

In dem sogenannten elektronengetriebenen Protonentransfer-Prozess (EDPT) wird ein Wasserstoff-Atom innerhalb der Molekülverbindung verschoben. Das Basenpaar kehrt daraufhin aber durch den gleichen Vorgang sofort wieder zur Ausgangsstruktur zurück. „Die Natur nutzt die Reaktion, um die Lichtbeständigkeit des Erbguts um Größenordnungen zu verstärken – sie ist sozusagen der Sonnenschutz der DNA“, sagt Professor Friedrich Temps, Leiter des Kieler Forschungsteams vom Institut für Physikalische Chemie. „Die DNA-Bausteine selbst entlasten dadurch die enorm aufwändigen und nur sehr langsamen aktiven Reparaturmechanismen der Zellen durch Enzyme, für deren Entdeckung in diesem Jahr gerade der Nobelpreis für Chemie verliehen wurde. Ohne die von uns beobachteten passiven Prozesse wären die aktiven Reparaturmaschinen der Zellen hoffnungslos überlastet“, ergänzt Professor Andrew Orr-Ewing, Leiter des Teams in Bristol.

In einigen Fällen gelingt es dem Basenpaar jedoch nicht, zur Ausgangssituation zurückzukehren. Hier führt der EDPT dazu, dass zwei Wasserstoffatome verschoben werden. „Das Produkt könnte eine mutagene Vorstufe sein und zu Schäden an der DNA führen“, erklärt Dr. Katharina Röttger von der englischen Arbeitsgruppe, die in Kiel ihren Doktortitel erhielt. Was allerdings mit diesem Molekül weiter passiert, müssen zukünftige Experimente zeigen. „Wir können nur sagen, dass das potenziell mutagene Molekül den Zeitrahmen unserer Messungen von einer Nanosekunde (= eine Milliardstel Sekunde) überlebt“, sagt Röttger.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen nun herausfinden, ob die gleichen Prozesse auch in einem langen DNA-Strang passieren. Kompliziert machen dieses Unterfangen aber die vielen Wechselwirkungen innerhalb und zwischen den Molekülen und in den Wasserstoffbrücken. Oft werden extrem schnelle Reaktionen von langsameren überdeckt. Professor Temps und Professor Orr-Ewing sind zuversichtlich, dass die Analysewerkzeuge ihrer Arbeitsgruppen bald so weit sein werden, auch dieses Rätsel zu lösen.

Physik, Chemie, Physiologie und Medizin: Das Zusammenspiel dieser Disziplinen war das Thema der außergewöhnlichen Tagung. Mit der Forschung an molekularen Maschinen, die unter anderem in der medizinischen Diagnostik Anwendung finden sollen, durfte der SFB nicht fehlen. Neuartige Experimente für Schule und Schülerlabor stellte Dr. Stefan Schwarzer, Projektleiter Öffentlichkeitsarbeit vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Mathematik und Naturwissenschaften (IPN), vor. Die Lehrkräfte konnten Versuche zur Nanotechnologie aus dem Schülerlaborprogramm klick! der Kieler Forschungswerkstatt während eines Workshops direkt ausprobieren. In einem schwebenden Wassertropfenreaktor stellten sie in wenigen Minuten fluoreszierende Zinkoxid-Nanopartikel her (für weitere Informationen hier klicken) oder machten mit einem portablen Rasterkraftmikroskop nanodimensionierte Strukturen (für weitere Informationen hier klicken) sichtbar. Video-Podcasts aus dem SFB illustrierten die Arbeitsweise der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie den interdisziplinären Charakter der mitgebrachten Materialien.

Auch andere Projekte des IPN gaben Impulse zur Förderung von wissenschaftlich authentischem Arbeiten in Schule und Schülerlabor. Das Unterrichtskonzept „Planspiel Wissenschaft“ für naturwissenschaftliche Wahlpflichtfächer, das mit engagierten Schleswig-Holsteinischen Lehrerinnen und Lehrern ausgestaltet und erprobt wurde, richtete sich vor allem an die Unterrichtenden in der Sekundarstufe I. Im Laufe eines Schuljahres können Schülerinnen und Schüler alle Phasen und Tätigkeitsbereiche aus der Forschung selbst erleben, so Wilfried Wentorf vom IPN. Die Forschungskontexte Bionik und Funktionsmaterialen boten den Teilnehmenden einfache experimentelle Methoden für den Schulunterricht, auf deren Basis, Schülerinnen und Schüler eigene kleine Forschungsprojekte entwickeln können.

Bereits in den letzten Jahren hatte der SFB 677 einen Workshop für Lehrerinnen und Lehrer auf der Tagung in Lindau mitorganisiert. „In dieser außergewöhnlichen Umgebung lässt sich die Faszination für Wissenschaft sehr gut an die Lehrkräfte, und damit in den Unterricht, weitertragen“, resümiert Dr. Schwarzer.

Der mit 10.000 Euro dotierte Wissenschaftspreis wird traditionell in der Kieler Woche im jährlichen Wechsel mit dem Kulturpreis der Landeshauptstadt Kiel vergeben. Vorgeschlagen werden die Preisträgerinnen und Preisträger vom Kieler Kultur- und Wissenschaftssenat. Die Kieler Ratsversammlung hat die diesjährige Auswahl des Senats einstimmig bestätigt.

Professor Dr. Rainer Herges erhielt die Auszeichnung eine Woche nach seinem 60. Geburtstag. Er lehrt und forscht seit 2001 als C4-Professor für Organische Chemie am Otto-Diels-Institut der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. 2003 gelang ihm die erstmalige Synthese eines Möbius-Moleküls. Hiermit widerlegte er eine grundlegende Regel der Chemie und fand Einzug in die Lehrbücher.

Seit 2006 ist Herges Sprecher des Kieler Sonderforschungsbereiches 677 „Funktion durch Schalten“. Erst Ende Mai 2015 erhielt dieser Bereich auf dem Gebiet der molekularen Maschinen-Entwicklung erneut 8,9 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG. Bereits in der ersten Förderperiode bis 2011 gelangen dem interdisziplinär zusammen gesetzten Team um Professor Herges bahnbrechende Erfolge im Bereich "Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“.

So entdeckten die Wissenschaftler, dass es möglich ist, Moleküle als Magneten einzusetzen und diese mit Raumtemperatur gezielt zu steuern. Der winzige Schalter erregte weltweit Aufsehen und revolutionierte einige Wissenschaftsbereiche wie die Medizin oder die Solartechnik.

In der nun beginnenden letzten Förderperiode wollen sich die Forschenden um Prof. Rainer Herges auf weitere Anwendungen konzentrieren und verstärkt mit Materialwissenschaftlern und Medizinern zusammenarbeiten. Insgesamt arbeiten in dem Kieler Forschungsverbund etwa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Chemie, Physik, den Materialwissenschaften und der Medizin.

Für seine Entdeckungen wurde Prof. Herges mit zahlreichen nationalen und internationalen Preisen ausgezeichnet. In der Begründung der Kieler Jury wird er als einer der „kreativsten und einflussreichsten Chemiker und Nanowissenschaftler Deutschlands“ gewürdigt.

In seiner Begrüßungsansprache betonte der 1. Stellvertretende Stadtpräsident Robert Vollborn, welche Auszeichnung die Förderung durch Bundesmittel für Land, Stadt und Universität sei. Sie diene nicht nur der Stärkung der hiesigen Forschung, der Schaffung hochqualifizierter Arbeitsplätze und dem internationalen Renommee. Viele Wissenschaftsbereiche und vor allem erkrankte Menschen könnten und würden von den Forschungsergebnissen profitieren. Kiel sei stolz auf „Made in Kiel – made by Herges and team“, so Vollborn.

Rolf Fischer, Wissenschaftsstaatssekretär des Landes Schleswig-Holstein, erklärte in seinem Grußwort, Prof. Herges habe mit seiner effizienten und ideenreichen Arbeitsweise… immer wieder Durchbrüche in der Grundlagenforschung erzielt, die nicht nur nationale und internationale Beachtung fänden, sondern auch viele Impulse für die regionale und überregionale Wirtschaft böten.

Die Auszeichnung sei wie eine Goldmedaille, so Fischer in Anspielung auf die Bewerbung Kiels für die Olympischen Spiel 2024. Sie bringe „die enge Verbundenheit und Vernetzung zwischen der Universität Kiel und der Landeshauptstadt Kiel zum Ausdruck“.

Der Wirtschaftsstaatssekretär erklärte außerdem, dass ein Schwerpunkt der Wissenschaftspolitik des Landes in diesem Jahr die Förderung des Wissens- und Technologietransfers zwischen Hochschule und Wirtschaft sei und nach den Sommerferien zusammen mit dem Wirtschaftsministerium hierzu ein Konzept vorgelegt würde.

Professor Lutz Kipp, Präsident der Christian-Albrechts-Universität und Vorsitzender des Kultur- und Wissenschaftssenats der Landeshauptstadt Kiel, hob in seinem Grußwort die Bedeutung der Chemie, insbesondere der organischen Chemie als „Chemie des Lebens“, hervor. „In unserer modernen Welt, die in allen Lebensbereichen durch organische Verbindungen geprägt ist, ist es von ganz besonderer Wichtigkeit, diese zu verstehen und nutzbringend für Mensch und Umwelt einzusetzen“, sagte Kipp.

In seiner Laudatio auf Rainer Herges lobte Prof. Stephan Hecht PhD, Inhaber des Lehrstuhls für Organische Chemie und funktionale Materialien an der Humboldt-Universität zu Berlin, den Preisträger für seine kreativen wissenschaftlichen Arbeiten. Eine der herausragenden Leistungen Herges‘, das Möbius-Molekül, erklärte Hecht dem Publikum der Preisverleihung anhand eines Papierstreifens.

In Anspielung auf die jährlich wechselnde Vergabe von Kultur- und Wissenschaftspreis fand Hecht für Herges die Bezeichnung „Nanokünstler“. Allerdings: „Das Problem ist, dass wir seine Werke, wie zum Beispiel das Möbius-Schleifen-Molekül, nicht mit bloßem Auge sehen können.“ Der Chemiker Herges kreiere mit Hilfe von Molekülen neue Maschinen auf kleinster Größenskala im Bereich von Nanometern, das heißt einem Milliardstel Meter. Und beim Vermitteln des Grundgedankens „Das Molekül als Baustein“ habe Herges die seltene Gabe, dieses und weitere für seine Arbeit wichtige Konzepte anschaulich erklären zu können – seinen Studenten ebenso wie der breiten Öffentlichkeit.

Erster Preisträger des Wissenschaftspreises der Landeshauptstadt Kiel war 2001 der inzwischen verstorbene Kieler Pathologe und Anatom Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Karl Lennert. 2003 ging der Preis an den Wirtschaftswissenschaftler Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Herbert Giersch. 2005 teilten sich die Auszeichnung der Biochemiker Dr. Stefan Rose-John und der Gastroenterologe Prof. Dr. Stefan Schreiber, 2007 waren es der Literaturwissenschaftler Prof. Dr. Heinrich Detering sowie der Meeresgeologe und Chemiker Prof. Dr. Klaus Wallmann. 2009 ging die Auszeichnung an Prof. Dr. Friedhelm Taube vom Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der CAU und an den jungen Privatdozenten Dr. Konstantin Khalturin vom Zoologischen Institut der CAU. Mit der Theologin Prof. Uta Pohl-Patalong (CAU) wurde 2011 erstmals eine Frau mit dem Wissenschaftspreis der Landeshauptstadt Kiel geehrt. 2013 erhielt erneut eine Frau die Auszeichnung: Die Ingenieurin Prof. Dr. Martina Gerken teilte sich den Wissenschaftspreis mit dem Juristen Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Robert Alexy. Beide wirken an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Pionierarbeit auf dem Gebiet der molekularen Maschinen

Dem positiven Bescheid war eine intensive Begutachtung durch DFG-Fachleute vorausgegangen, die alle vier Jahre ansteht. „Meine allerherzlichsten Glückwünsche gehen an die Kolleginnen und Kollegen aus dem SFB 677 – sie haben großartige Arbeit geleistet und die DFG erkennt das an“, sagte CAU-Präsident Professor Lutz Kipp. „Für das Land Schleswig-Holstein und speziell für die Universität Kiel bedeutet dies, dass mit Bundesmitteln die Forschung gestärkt, die internationale Sichtbarkeit verbessert und zahlreiche Arbeitsplätze für hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler geschaffen werden.“ Alle am Projekt Beteiligten hätten exzellente wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht und so die Bildung des Kieler Forschungsschwerpunkts „Nanowissenschaften und Oberflächenforschung“ maßgeblich befördert.

Von der Entwicklung winziger Maschinen im technischen und medizinischen Bereich versprechen sich die Forschenden ähnlich revolutionierende Leistungssteigerungen wie wir sie in den letzten Jahrzehnten in der Informationstechnologie erlebt haben. Die Grundlagen hierfür müssen aber erst noch geschaffen werden. Fundamentale Beiträge dazu hat der Kieler SFB geliefert, denn gegen Ende der ersten Förderperiode 2011 konnten die Forschenden bereits einen bahnbrechenden Erfolg vorweisen: Einem Team um Professor Rainer Herges, Sprecher des SFBs, war es erstmals gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Moleküls bei Raumtemperatur gezielt zu steuern – mit Licht verschiedener Wellenlängen. Der winzige Schalter erregte internationales Aufsehen und wird für den Einsatz in minimal invasiven Schlaganfall- und Herzoperationen und der MRT-Diagnostik weiter entwickelt. „Solche Arbeiten sind nur möglich, indem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Fachbereiche zusammenarbeiten“, sagt Chemiker Herges.

Kieler Sonderforschungsbereich international führend in den Nanowissenschaften Das Anwendungsspektrum für molekulare Schalter wächst geradezu explosionsartig und revolutioniert ganze Wissenschaftsbereiche, wie zum Beispiel die Hirnforschung. Doch keine andere Arbeitsgruppe konnte bisher Moleküle herstellen, die sich effizienter zwischen zwei Zuständen hin und her schalten lassen, die temperaturbeständiger und stabiler sind als die aus den Kieler Laboren. Herges Kolleginnen und Kollegen konnten kreativ werden und fanden bis heute viele Einsatzmöglichkeiten für die Moleküle: in neuen Materialien für die Solartechnik, in potenziellen neuen Medikamenten, als schonendes Kontrastmittel für die medizinische Diagnostik. Die Arbeit daran, genau wie die Forschung an Materialien, die ihre Ermüdung durch Farbwechsel selbst anzeigen können, geht aktuell weiter.

Über 160 wissenschaftliche Artikel veröffentlichten die Projektmitarbeiterinnen und -mitarbeiter in den letzten vier Jahren. Zwei Firmen wurden erfolgreich aus dem Sonderforschungsbereich ausgegründet – eine entwickelt Lichttechnik für wissenschaftliche Experimente und industrielle Anwendungen. Die andere stellt Materialien mit speziellen Funktionen her. Außerdem wurden 28 Doktorarbeiten abgeschlossen.

Für die letzte Förderperiode, die nun beginnt, wollen die Forschenden sich weiter auf neue Anwendungen konzentrieren: „Wir werden stärker mit Materialwissenschaftlern und Medizinern zusammenarbeiten“, sagt Professor Rainer Herges. Ein Ziel sei es, Wirkstoffe herzustellen, die sich erst am Krankheitsherd einschalten und damit Nebenwirkungen im gesunden Gewebe vermeiden und molekulare Maschinen, die Lichtenergie direkt in chemische (also speicherbare) Energie umwandeln.

Anhand verschiedener Module können Besucherinnen und Besucher der Ausstellung dem Weg des Erkenntnisgewinns folgen: von den Grundlagen von Nano- und Oberflächenwissenschaften über die Forschungsprojekte bis hin zu bereits auf dem Markt vorhandenen und zu erwartenden Produkten. Portraits herausragender Forscher, unter Ihnen Kieler Nobelpreisträger wie Max Planck und Otto Diels, bringen eine persönliche Ebene in das Thema. Tief eintauchen in die Meilensteine der Kieler Nano- und Oberflächenforschung können Interessierte mittels einer digitalen Forschungszeitleiste, auf der nach Belieben durch die Jahrhunderte gereist werden kann. Dazu erläutern echte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Exponate und erzählen aus ihrem Alltag an der Universität.

Die Ausstellung zeigt nicht nur, wie das aktuelle Profil der Christian-Albrechts-Universität in der Vergangenheit von den Naturwissenschaften geprägt wurde, erklären Dr. Lorenz Kampschulte und Dr. Stefan Schwarzer vom IPN: „Am anderen Ende der Zeitskala wagt die Ausstellung einen Blick in die Zukunft und versucht – nicht ohne Augenzwinkern – vorherzusagen, was mit den Ergebnissen der heutigen Forschung in den nächsten 100 Jahren möglich sein könnte. Auch werden zünftige Auswirkungen auf unsere Gesellschaft thematisiert.“

Zu sehen sein wird die Ausstellung zu verschiedenen Highlight-Veranstaltungen im Jubiläumsjahr:

• 15.-18.04.15 Ausstellung im Sophienhof
• 22.05.15 Campus-Sommerfest
• 20.-28.06.15 Kieler Woche im Zelt der „kieler uni live“

Professor Herges, geboren 1955, gilt als einer der kreativsten und einflussreichsten deutschen Chemiker und Nanowissenschaftler. Seit 2004 ist er C4-Professor für Organische Chemie an der CAU. Der von ihm initiierte Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ war einer der Ausgangspunkte für die Entwicklung des Forschungsschwerpunktes „Kiel Nano, Surface and Interface Science“ (KiNSIS) an der CAU.

Herges hat bereits mehr als 200 Arbeiten veröffentlicht und wurde mit zahlreichen internationalen Preisen ausgezeichnet. Zu den vielen Glanzlichtern seiner wissenschaftlichen Leistungen zählt die erstmalige Synthese eines Möbius-Moleküls, die eine grundlegende Regel der Chemie widerlegte und Einzug in die Lehrbücher fand. 2011 gelang Herges eine Entdeckung mit weitreichenden technologischen, praxisnahen Folgen: ein molekülgroßer Schalter, der bei Raumtemperatur auf Magnetbasis funktioniert. Das Schalter-Molekül kann beim Bau winziger elektromagnetischer Speicher ebenso zum Einsatz kommen wie in der Medizin bei Operationen oder der Erkennung von Tumoren und Metastasen.

Als Stadtpräsident Hans-Werner Tovar den Preisträger über die Entscheidung der Ratsversammlung informierte, war Herges gerade im Skiurlaub. Er freute sich, zog die Skischuhe an und ging auf die Piste.

Der Preisträger folgt auf die Ingenieurin Professorin Dr. Martina Gerken und den Juristen und Philosophen Professor Dr. Dr. h.c. mult. Robert Alexy, die sich 2013 den Wissenschaftspreis geteilt hatten.

Die Landeshauptstadt Kiel verleiht den Wissenschaftspreis im jährlichen Wechsel mit dem Kulturpreis. Die Kandidatinnen und Kandidaten für beide Ehrungen werden jeweils vom Kultur- und Wissenschaftssenat vorgeschlagen.

Schülerin im klick!:labor der Kieler Forschungswerkstatt: Chemische Spitzenforschung bietet große Potenziale für den naturwissenschaftlichen Unterricht.
Abb. © Denis Schimmelpfennig, CAU

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© Denis Schimmelpfennig, CAU

Forscherinnen für einen Tag: Schülerinnen bereiten eine chemische Lösung im Kieler klick!:labor vor.
Abb. © Denis Schimmelpfennig, CAU

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© Denis Schimmelpfennig, CAU

Viele faszinierende Phänomene können in der Forschungswerkstatt beobachtet werden, zum Beispiel wie bestimmte Moleküle reagieren, wenn eine elektrische Spannung angelegt wird.
Abb. © Denis Schimmelpfennig, CAU

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© Denis Schimmelpfennig, CAU

Ein Katzenschnurrbarthaar unter dem Rasterkraftmikroskop: Die Aufnahme fertigten Schülerinnen und Schüler im klick!:labor an. Die Gesamtaufnahme ist 50 x 50 Mikrometer groß. Im unteren Teil der Aufnahme sind einzelne Haarschuppen zu erkennen. Das besondere ist der obere Teil: Hier finden sich aufgestellte Schuppen, die dann Kanäle in das Innere des Haares bilden. Diese sind für die Wahrnehmung von Umgebung und Beute der Katze wichtig.
Abb. © klick!:labor

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© klick!:labor

Vorbild ist die Wissenschaft, an der im Kieler Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“ gearbeitet wird. Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es hier, chemische Schalter zu bauen, die unter anderem mit Licht angeregt bestimmte Funktionen erfüllen. Solche Moleküle sollen dann wie winzige Maschinen funktionieren. Eine Vision ist es, ein schonendes Kontrastmittel für medizinische Diagnosemethoden zu entwickeln. „Die Schülerangebote aus dem klick!:labor helfen uns dabei, unsere Forschung verständlich und spannend in die Schulen und die Öffentlichkeit zu bringen“, erklärt Professor Rainer Herges, Sprecher des SFBs, das Zusammenspiel zwischen beiden Projekten.

Viel Wert legen die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Labors daher auf ein authentisches Erlebnis für die Schülerinnen und Schüler: Weiße Laborkittel und Schutzbrillen sind Pflicht, denn schließlich wird mit Chemikalien und aktuellem Forschungsgerät gearbeitet. An verschiedenen Stationen lernen die jungen Besucherinnen und Besucher Grundlagen, Methoden und Nanotechnologie im Alltag kennen. Darüber hinaus können sie mit Hilfe von Kurzfilmen das echte Leben der Forscherinnen und Forscher in den Laboren der CAU kennen lernen.

Je kleiner die Strukturen, die für das Auge sichtbar gemacht werden sollen, desto aufwändiger sind die Instrumente und desto ausgefuchster die Verfahren. Rasterkraftmikroskop nennt sich beispielsweise das Instrument, mit dem kleinste Strukturen wie Atome mit einer feinen Nadel abgetastet werden. So entstehen Abbildungen von Oberflächen, die nur Milliardstel Meter groß sind. An diesem Tag in der Forschungswerkstatt schauen Abiturientinnen und Abiturienten des Kieler Ernst-Barlach-Gymnasiums fasziniert auf den Bildschirm, auf dem ein winziges Objekt schier riesig zu sein scheint: Vermessen wird ein Katzenschnurrbarthaar, das nur wenige hundert Mikrometer dick ist und nanometergroße Strukturen aufweist.

So „dick“ wie diese Strukturen ist in etwa auch die Haut von Seifenblasen, die an einer der nächsten Experimentierstationen berechnet wird. Diese dünne Schicht ist dafür verantwortlich, dass die Blasen in bunten Farben schillern, denn das Licht wird von der Vor- und Rückseite der Haut reflektiert. Jenny Stäcker, die in Kiel Biologie, Chemie und Mathematik im ersten Master-Semester studiert, betreut die Seifenblasenstation und sammelt Erfahrungen für ihr späteres Berufsleben als Lehrerin: „Ich kann hier meine Rolle als Lehrerin ausprobieren und lerne, welche Fragen von Schülerinnen und Schülern auch im Unterricht kommen können.“ Die Einbindung von Lehramtsstudierenden ist ein weiteres Merkmal der Kieler Forschungswerkstatt, hier arbeitet die CAU bundesweit mit anderen Standorten in einem von der Deutschen Telekomstiftung geförderten Projekt zusammen. Physikstudent Alexander Trumpf hat sogar eine eigene Station für die Forschungswerkstatt entwickelt, bei der es um Solarenergie geht.

Das Konzept des Labors zusammen mit dem Engagement der Studierenden kommt gut an in den Schulen Schleswig-Holsteins und darüber hinaus. Klassen aus Rendsburg, Lübeck und Lüneburg waren zum Beispiel zu Gast im klick!. Anke Schrautzer, Biologie- und Chemielehrerin, besucht die Forschungswerkstatt bereits zum dritten Mal. Im Labor gibt es für sie zwei entscheidende Dinge: Zeit und die richtige Ausstattung. Das Thema Nanotechnologie werde so umfassend behandelt, dass Schülerinnen und Schüler einen nachhaltigen Eindruck davon mit nach Hause nähmen. „Einige bekommen so eine Idee, was sie nach der Schule machen wollen“, erzählt Schrautzer. Sie selbst hole sich Anregungen für Experimente, die sie in ihren Unterricht einbinden kann.

„Ab und an packen wir auch alle Versuche ein und fahren an Schulen, um dort mehrtägige ‚Nanotage‘ zu veranstalten“, berichtet Dr. Stefan Schwarzer vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN), der das klick!:labor aufgebaut hat. Sogar international hat er das Programm schon vorgestellt, so im kanadischen Toronto auf der International Conference on Chemistry Education und dem Science and Engineering Festival in Washington. „Die Unterstützung und Rückmeldungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sind uns sehr wichtig und zeigen deren großes Engagement auch für den Transfer ihrer Arbeiten“, sagt Professorin Ilka Parchmann, die gemeinsam mit Dr. Schwarzer das Projekt leitet und derzeit als Vizepräsidentin für Nachwuchsarbeit und Lehrerbildung an der CAU zuständig ist.

Nanopartikel herstellen, mit Flüssigkeiten experimentieren, die wie auf Knopfdruck ihre Farbe wechseln, Phänomene beobachten, beschreiben und auswerten: Die Oberstufenschülerinnen und -schüler sind überrascht, wie realitätsnah und praktisch sie selbst das Handwerk von Spitzenforscherinnen und -forschern erleben dürfen: „Wir dachten, es läuft eher vortragsmäßig ab“, verraten Jakob Günther und Natalie Olobry, beide 19, und legen Kittel und Schutzbrillen ab. Umso mehr freuen sie sich, dass der Tag im klick!:labor ihr Interesse an Forschung und Entwicklung noch vergrößert hat.

Einige Pflanzen, Insekten, Bakterien und Fische besitzen Proteine, die sie in extremer Kälte überleben lassen. Solche Proteine sind das Forschungsfeld der Arbeitsgruppe von Professor Frank Sönnichsen. Im Video-Podcast berichtet er davon, wie versucht wird, die Beziehung zwischen der Struktur und der Funktion des Proteins AFP, das in Arktischen Flundern vorkommt, zu entschlüsseln. Im SFB-Projekt versuchen die Forschenden darüber hinaus, AFP schaltbar zu machen.

Um die Vorhersehbarkeit von Materialversagen geht es im Film über die Arbeitsgruppe von Professor Rainer Adelung. „Eine Idee ist, Farbstoffe, die auf mechanische Einflüsse reagieren, in Kompositmaterialien einzuarbeiten, um Materialfehler aufspüren zu können“, berichtet Adelung dort.

Datenspeicher auf molekularem Level zu entwickeln, ist das Thema von Professor Felix Tuczek im sechsten Podcast. Zusammen mit seinem Masterstudenten Alexander Schlimm und der Doktorandin Hanne Jacob erklärt Tuczek die Herangehensweise des Projektes: Die Arbeitsgruppe möchte Übergangsmetall-Komplexe auf einer Goldoberfläche deponieren und deren magnetische Zustände durch Licht schaltbar machen.

Ab März werden die englischen Kurzfilme auf den Webseiten des Beilstein Instituts und des Sonderforschungsbereichs 677 zu sehen sein.

Die Themen im Überblick:

• AG Anne Staubitz: Intelligente Polymere
• AG Christian Peifer: Schaltbare Krebsmedikamente
• AG Bernd Hartke/Friedrich Temps: Ultraschnelle Bewegung von Atomen und Molekülen
• AG Frank Sönnichsen: Antigefrierproteine
• AG Rainer Adelung: Mechanophore Farbstoffe
• AG Felix Tuczek: Molekulare Speicher

Auch die kleinsten Besucherinnen und Besucher der Jubiläumsmesse begeisterten sich für die Kieler Nanoforschung.
Abb. © CAU

„Eine tolle Gelegenheit, um das Jahr über mit einem breitgefächerten Portfolio zu zeigen, wer wir sind und die Verbindung zur Stadt und dem Land deutlich zu machen“, ordnete Universitätspräsident Professor Lutz Kipp die verschiedenen Angebote der Universitätsangehörigen ein. Die Nano-Ausstellung wird dabei nicht nur zeigen, welchen großen Einfluss die naturwissenschaftliche Forschung der Vergangenheit hatte, wie zum Beispiel der Kieler Nobelpreisträger Max Planck, der die Quantenphysik begründete. Deutlich gemacht wird auch, welche Produkte aus der Forschung heute schon auf dem Markt sind und was in 100 Jahren möglich sein wird.

Die Ausstellung wird 2015 an unterschiedlichen Orten zu sehen sein. Termine stehen online unter: www.uni-kiel.de/cau350/erleben.

Der Sonderforschungsbereich 677 präsentierte sich mit anderen Einrichtungen der Kieler Universität auf dem IHK-Jahresempfang.
Abb. © CAU

An einer multimedialen Litfasssäule erfuhren Interessierte per Bild, Text und Video einiges über die Grundlagen der Nanowissenschaften und die spannenden Projekte des SFB. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Studierende beantworteten Fragen und knüpften Kontakte. „Die Besucherinnen und Besucher an unserem Stand waren sehr neugierig auf die Arbeit unseres Projektes. Spitzenforschung sehen die meisten Unternehmerinnen und Unternehmer als wichtigen Wirtschaftsfaktor“, berichtet Dr. Stefan Schwarzer vom Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik. Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen konzipiert er die Öffentlichkeitsarbeit des SFB.

Lediglich ein kleiner Ausschnitt einer großen Jubiläumsausstellung war im Kieler Schloss aufgebaut, die der SFB gemeinsam mit dem Kieler Forschungsschwerpunkt Nano- und Oberflächenforschung (KiNSIS) an verschiedenen Orten zeigen wird. Mehr über die Inhalte der Schau verraten die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf der Jubiläumsmesse der Kieler Universität am Mittwoch, 28. Januar, im Foyer des Audimax.

Sechs Arbeitsgruppen berichten in jeweils etwa sechsminütigen Video-Podcasts von ihren Zielen und Arbeitsmethoden. Im Kasten sind schon die Projekte um Professor Bernd Hartke und Professor Friedrich Temps, die die Bewegung von Atomen und Molekülen erforschen. Auch Professorin Anne Staubitz und ihr Team stellen ihre Forschung an intelligenten Polymeren vor, deren Eigenschaften durch Licht und mechanische Kräfte veränderbar sein sollen. Professor Christian Peifer und seine Mitarbeitenden sind mit dem Thema „Schaltbare Krebsmedikamente“ dabei.

Der zweite Teil der Reihe wird im Januar 2015 abgedreht. Im Mittelpunkt stehen dann die Arbeitsgruppen von den Professoren Frank Sönnichsen, Rainer Adelung und Rainer Herges. Die Sprache der Kurzfilme ist Englisch. Ab März werden sie dann öffentlich zu sehen sein.

Die Bindung von Zellen an andere Zellen oder an Oberflächen ist lebenswichtig für Organismen, beispielsweise für die Entwicklung von inneren Organen und von Geweben. Aber auch an Krankheit und Infektionen sind solche Mechanismen beteiligt. Die im Experiment eingesetzten E. coli-Bakterien können Harnwegsinfektionen, Hirnhautentzündungen, Sepsis und weitere schwerwiegende Erkrankungen auslösen. Um diese Krankheiten verstehen und behandeln zu können, müssen Forscherinnen und Forscher die molekularen Vorgänge entschlüsseln, die es bakteriellen Zellen ermöglichen, an gesunde Wirtszellen anzudocken.

Häufig geschieht dies über Proteine, die nach einem komplizierten „Pass-Prinzip“ (vereinfacht: „Schlüssel-Schloss-Prinzip“) mit Kohlenhydratstrukturen auf der Wirtszelloberfläche wechselwirken. Die Kieler und Frankfurter Studie zeigt nun erstmals, dass dafür die räumliche Ausrichtung der Kohlenhydratstrukturen entscheidend ist. In der natürlichen Glycokalyx, einer nur nanometerdünnen Mehrfachzucker-Schicht, die alle Zellen umgibt, sind die Verhältnisse allerdings noch zu komplex, um herauszufinden wie Proteine und Kohlenhydrate zueinanderfinden.

Professorin Thisbe K. Lindhorst, Chemikerin an der Uni Kiel, baut mit ihrem Team im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ Moleküle, die, bestrahlt mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen, als biologische Schalter funktionieren. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe um den Oberflächenspezialisten Professor Andreas Terfort (Uni Frankfurt) hat sie nun ein System hergestellt, mit dem die Ausrichtung der Zucker-Andockpunkte und damit die Bindung von E. coli-Bakterien kontrolliert werden kann. Dazu versahen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine extrem dünne Goldoberfläche mit einem genau definierten Zuckermantel, der an Azobenzol gekoppelt ist. Das ist ein Kohlenwasserstoff, der eine Stickstoffbrücke enthält, die lichtgesteuert wie ein Gelenk funktioniert. Darüber lassen sich nun die Bindungseigenschaften des Zuckermantels schalten: Bestrahlen die Forschenden ihr System mit Licht einer Wellenlänge von 365 Nanometern, können sich erheblich weniger krankmachende Bakterienzellen an die künstliche Oberfläche anheften. Die Zuckermoleküle drehen sich dabei gewissermaßen von den Bakterien weg und können nicht mehr erkannt werden. Beim „Einschalten“ wiederum mit 450 Nanometer langen Lichtwellen orientieren sich die Strukturen wieder derart, dass Bakterienzellen erneut andocken können. So lässt sich die Anhaftung von E. coli kontrollieren.

„Durch den Einsatz eines Schichtsystems auf einer festen Oberfläche in Kombination mit einem Photo-Gelenk lässt sich die komplexe Dynamik einer realen Glycokalyx auf die wesentlichen Prozesse reduzieren und so verstehen“, erklärt Terfort. „Dieser neue Ansatz sollte sich auch auf andere biologische Grenzflächensysteme übertragen lassen.“

„Anhand unseres Modellsystems lassen sich Erkennungs- und Bindungseffekte der Glycokalyx sehr definiert und unter einem ganz neuartigen Blickwinkel untersuchen“, sagt Lindhorst. „Wenn wir lernen, die Glycokalyx in einem Zusammenhang von Gesundheit und Heilung zu beeinflussen, wird dies zu einer Revolution in der Medizinischen Chemie führen.“

Originalpublikation Switching of bacterial adhesion to a glycosylated surface by reversible reorientation of the carbohydrate ligand. Theresa Weber, Vijayanand Chandrasekaran, Insa Stamer, Mikkel B. Thygesen, Andreas Terfort and Thisbe K. Lindhorst. Angew. Chem. 48/2014. DOI: 10.1002/ange.201409808 und 10.1002/anie.201409808 (Angew. Chem. Int. Ed.)

Die DNA ist ein Molekül, in dem das Erbgut eines Lebewesens gespeichert ist. Sie besitzt sehr effiziente, extrem schnell ablaufende Schutzmechanismen, die verhindern, dass die Energie des Sonnenlichts sie nicht schädigt. In ihrer Arbeit hat Röttger zunächst eine Art Kamera gebaut, die schnell genug ist, um der DNA bei diesen Prozessen zuzusehen. Anschließend konnte sie damit einige der wichtigsten Schutzmechanismen innerhalb der DNA experimentell verfolgen. Die Erkenntnisse dienen dazu, Vorgänge auf molekularer Ebene zu verstehen, die dazu führen, dass die DNA zerstört wird und beispielsweise Hautkrebs entsteht. Genutzt werden Röttgers Ergebnisse auch im Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“, in dem die Forschenden molekulare Maschinen entwickeln, die durch Licht an- und ausschaltbar sein sollen. Die junge Forscherin nutzte gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen aus dem SFB ihre Methode auch, um extrem schnelle Schaltprozesse zu beobachten. Für die weitere Forschung an lichtgetriebenen molekularen Schaltern sind die daraus gewonnenen Informationen entscheidend.

Alle zwei Jahre werden herausragende junge Forscherinnen und Forscher anlässlich der Tagung der GDCh-Fachgruppe Photochemie mit dem Albert Weller-Preis gewürdigt. Zuvor wurde Röttger bereits der diesjährige Fakultätspreis der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Kiel verliehen.

Isabel Köhl erhielt den "Top Poster Award" der EuCheMS-Division für Organische Chemie für ihr Poster "Molecular Switches for AFM Measurements" über ihre Arbeit in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. U. Lüning im Teilprojekt A05 "Mechanik des Schaltens einzelner Moleküle in Lösung".

Marcel Dommaschk arbeitet in der Gruppe von Prof. Dr. R. Herges an der Entwicklung neuer photoschaltbarer Kontrastmittel für die MRT im Teilprojekt A06 mit und wurde von der EuCheMS-Division für Analytische Chemie für sein Poster "Photoswitchable Contrast Agents for Magnetic Resonance Imaging" ausgezeichnet. Er erhielt darüber hinaus einen Buchpreis.

Die EuCheMS-Tagung ist eine der größten Kongresse in der Chemie in Europa und findet alle zwei Jahre statt; in diesem Jahr wurde die Konferenz vom 31 August bis 4 September in Istabul (Türkei) ausgerichtet.

Flimmerhärchen (Cilien), auch Flimmerepithele genannt, bedecken unsere Atemwege wie ein Rasen. In unseren Rachen- und Nasenschleimhäuten sorgen sie dafür, dass Schleim und die darin eingebetteten Fremdkörper ständig Richtung Rachen hinausbefördert werden (außer bei starken Raucherinnnen und Rauchern, die ihre Cilien durch Nikotin und Teer zerstört haben). Dem Ziel, dieses biologische Transportsystem künstlich nachzubilden, sind Tobias Tellkamp und Professor Rainer Herges mit schaltbaren Molekülen nun einen großen Schritt näher gekommen.

Solche Moleküle, die mit Licht bestrahlt hin und her „zucken“, gibt es zwar schon lange. Eine gerichtete Bewegung war aber damit bisher nicht möglich. Die Schwierigkeit bestand darin, dass die Moleküle nur nach einer Seite schlagen dürfen, da sich die Bewegungen sonst aufheben. Mit einem Trick in der Molekülkonstruktion haben die Kieler Chemiker aus dem Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ dieses Problem gelöst: Damit die künstlichen Härchen ihre Aufgabe erfüllen können, müssen sie außerdem auf einer Oberfläche befestigt werden. „Also haben wir eine Art molekularen Saugnapf an den Schaltern befestigt“, erklärt Projektleiter Herges.

Untersuchungen zeigten, dass dieser Saugnapf sehr gut auf Goldoberflächen haftet. Das Forschungsteam beobachtete, dass sich die Moleküle schon bei einem kurzen Eintauchen des Goldes in die Lösung völlig selbstständig und regelmäßig nebeneinander anordnen. „Die Saugnäpfe saugen sich fest, sind auf der Oberfläche aber immer noch beweglich und ziehen sich gegenseitig an“, beschreibt Doktorand Tellkamp. So entsteht ein künstliches Epithel.

Ob die so hergestellten Epithele wirklich so funktionieren wie etwa in unseren Nasenschleimhäuten, wollen die Forscher in einer zweiten Phase mittels Rasterkraftmikroskop-Untersuchung herausfinden. Behilflich sind ihnen dabei Kolleginnen und Kollegen aus der Kieler Oberflächenphysik um Professor Olaf Magnussen. Geplant ist, drei Nanometer große Partikel auf den mit Licht angeregten Härchen kontrolliert in eine Richtung zu bewegen.

Die Ergebnisse sind nicht nur für die Grundlagenforschung höchst interessant. Mit den künstlichen Flimmerepithelen ließe sich theoretisch eine molekulare Nanofabrikation verwirklichen, bei der molekulare Maschinen andere Maschinen bauen, indem chemische Produkte gezielt und präzise zueinander geführt werden. Ganze Fabrikationsanlagen könnten so auf einem winzigen Chip Platz finden. Außerdem könnten künstliche Organellen mit den molekularen Flimmerhärchen ausgestattet werden, die durch einen äußeren Reiz gesteuert oder gar autonom in der Blutbahn auf einen Krankheitsherd hinsteuern, erläutern die Forschenden mögliche Anwendungszwecke.

Originalpublikation:
Tobias Tellkamp, Jun Shen, Yoshio Okamoto and Rainer Herges. Diazocines on Molecular Platforms. Eur. J. Org. Chem 2014. DOI: 10.1002/ejoc.201402541 (Online Publikation)

Konzipiert und aufgebaut wurde die Schau vom Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“ der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN). „Wir halten einmalige Einblicke in unsere Arbeit an molekularen Maschinen für Groß und Klein bereit“, erklärt Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB 677. „Dazu gibt es echte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ‚zum Anfassen‘, mit denen nicht nur aktuelle Forschungsfragen, sondern auch die Chancen und Risiken von Nanotechnologie diskutiert werden können.“ Geöffnet hat die Kombination aus Film, Bild, Text, verschiedenen Exponaten und kleinen Live-Experimenten täglich von 10 bis 20 Uhr im Erdgeschoss, Richtung Herzog-Friedrich-Straße, zwischen Schuh Heinrich und Peek&Cloppenburg.

Ziel des Sonderforschungsbereichs 677 an der CAU ist es, ingenieurtechnische Funktionen von Maschinen in unserer großen Welt auf der molekularen Ebene zu verwirklichen. Als Vorbild diente der Arbeitsgruppe um Professor Ulrich Lüning vom Otto Diels-Institut für Organische Chemie eine Pumpe, die eine bestimmte Gruppe von Bakterien (Halobakterien) nutzt. Das sind Mikroorganismen, die in Salzseen vorkommen. Bei diesen sorgt ein Farbstoff-Protein-Komplex (Bakteriorhodopsin) dafür, dass durch Lichtabsorption Protonen aus dem Cytoplasma nach außen transportiert werden. Der entstehende Protonen-Konzentrationsunterschied zwischen dem Cytoplasma und dem Außenmedium wird zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP) genutzt, dem wichtigsten Energieträger jeder Zelle.

Ähnlich wie das bakterielle Prinzip funktioniert das System der Kieler Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Es besteht aus einem ringförmigen Molekül, das sich auf einer Achse hin und her bewegen (Rotaxan) und ein Proton aufnehmen kann. „Stopper“, größere Molekülgruppen an beiden Enden, verhindern, dass der Ring von der Achse fällt. Diese ist so konstruiert, dass der Ring auf einer Seite gehalten wird, um dort Protonen aufzunehmen. „An dieser Stelle haben wir Protonen hinzugegeben und durch Kernspinresonanzspektroskopie gesehen, dass der Ring anfing zu wandern“, sagt Lüning. Wie war das möglich? Der Ring nimmt ein Proton auf und ist folglich positiv geladen. Nun wird er von der Achse, die an dieser Stelle ebenfalls positive Ladung besitzt, abgestoßen und bewegt sich auf die andere Seite des Rotaxans.

Das Fernziel: Die Protonen werden auf einer Seite einer Membran mit Hilfe von Licht bereitgestellt. Das Rotaxan nimmt sie dann auf und transportiert sie auf die andere Seite, wo sie dann abgegeben werden. Beispielsweise bei Bestrahlung einer hinzugegebenen Fotosäure auf der Ringseite mit Licht kann sich dort der pH-Wert senken – ein Gefälle entsteht – und ein Proton wird an den Ring abgegeben. Dieser bewegt sich auf die andere Seite der Molekülverbindung, gibt dort das Proton ab und begibt sich wieder zurück in die Ausgangsposition, erklärt der Chemiker weiter. Dadurch werde die Protonenkonzentration auf der anderen Seite erhöht. Treibkraft zum Aufbau dieses Konzentrationsunterschieds wäre das eingestrahlte Licht.

„Dass unser Experiment funktioniert, zeigt, dass wir das Prinzip eines gezielten Protonentransports im natürlichen Vorbild, den Zellen, zunehmend verstehen und nachbauen können“, freut sich Lüning über die Studienergebnisse, die den ersten Teil dieses Projekts im Sonderforschungsbereich 677 erfolgreich abschließen. Nach sechs Jahren Entwicklungsarbeit, in denen drei Doktorarbeiten und eine Diplomarbeit fertig gestellt wurden, sind die Forscherinnen und Forscher jetzt sogar in der Lage, ihre molekularen Bauteile maßzuschneidern. Perspektivisch könnte das Prinzip auf einfachere Systeme übertragen werden und so neue Wege in der Energieerzeugung eröffnen.

„Man kann seiner Stimme nicht befehlen, sich zu ändern – man muss es einfach machen!“ erklärt Gary Owston. Um daher regelmäßig üben zu könen, wird es insgesamt vier Kurseinheiten über das Jahr verteilt geben. Diw erste davon fand nun im April statt und bald wird eine weitere im Juni folgen. In der Zwischenzeit bekamen die Teilnehmer Hausaufgaben und Arbeitsunterlagen, so dass sie für sich selbst üben können. Mit dieser Grundlage kann dann jeder zur nächsten Stufe weitergelangen.

Die Schichtdicke von Seifenblasen befindet sich im Nanometerbereich. Künstler Björn Böttcher baute zauberhafte Gebilde aus den empfindlichen Kugeln.
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Ein selbst konstruiertes Rasterkraftmikroskop bescherte dem Schülerteam vom Alten Gymnasium in Oldenburg den ersten Platz bei „Nano erleben“. Christoph Steinbach (DECHEMA e.V., links), Stefan Schwarzer (IPN Kiel, 2.v.r.) und Rainer Herges (Uni Kiel, rechts) gratulierten.
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Nanogoldseife? Mehr Schein als Sein! Mit diesem experimentellen Nachweis ergatterten Urs Hippelein und Roman Kurberg von der Kieler Humboldtschule den zweiten Platz. Die Jury (v.l. Christoph Steinbach (DECHEMA e.V.), Stefan Schwarzer (IPN Kiel) und Rainer Herges (Uni Kiel)) zeigte sich beeindruckt.
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Der weite Weg hat sich gelohnt: Physiklehrer René Grünbauer aus Regensburg ist der Drittplatzierte beim „Nano erleben“-Wettbewerb 2014.
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Mit UV-Licht schaltete die Kieler Chemiestudentin Daniela Ingwersen eine raue Oberfläche von hydrophob auf hydrophil.
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Abschluss eines gelungenen Wettbewerbs: Björn Böttcher und seine Seifenblasenshow
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„Das Niveau der Versuche war durchweg hervorragend und auch das Publikum war begeistert“, freute sich Professor Rainer Herges vom Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“, der den Wettbewerb gemeinsam mit der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. ausrichtete. „Um unseren wissenschaftlichen Nachwuchs müssen wir uns keine Sorgen machen, denn heute haben wir viele kreative und innovative Versuche gesehen. Auch ich konnte heute etwas lernen!“, lobte Herges die Schülerinnen und Schüler, Studierenden, Doktoranden, Lehrerinnen und Lehrer, die sich der Aufgabe gestellt hatten, „nano“ erlebbar zu machen.

Nach der Präsentation der neun Experimente wählte eine Fachjury, die sich aus Vertreterinnen und Vertretern der DECHEMA sowie den Universitäten Groningen und Kiel zusammensetzte, die ersten drei Plätze aus. Ganz oben auf dem Treppchen mit einem Preisgeld von 1.000 Euro landeten die Schüler Paul Welzel, Txai Soares und Luca Schüler vom Alten Gymnasium in Oldenburg, die ihr selbst gebautes Rasterkraftmikroskop im Film und anhand eines Modells vorführten. Zweite wurden die Schüler Urs Hippelein und Roman Kurberg aus der 9. Klasse der Humboldtschule in Kiel. Sie konnten experimentell nachweisen, das Nanogoldseife keine Wirkung auf menschliche Zellen hat. Dafür gab es 750 Euro. Auf den mit 500 Euro dotierten dritten Rang wählte die Jury René Grünbauer, der am Musikgymnasium der Regensburger Domspatzen Physik lehrt und seine Schützlinge in Kiel vertrat. Er präsentierte einen Versuchsaufbau „für die Hosentasche“, der aus Nanoteilchen baumähnliche Strukturen wachsen ließ. Goldnanopartikel ließ Ramzy Abdelaziz, Doktorand an der Technischen Fakultät der Kieler Uni, in Wassertropfen entstehen, die auf heißen Herdplatten zu schweben schienen. Für seinen unterhaltsamen Vortrag vergab die Jury einen Sonderpreis. Viele weitere Teilnehmende hatten sich mit einem wissenschaftlichen Poster zum Thema Nanowissenschaft beteiligt. Auch hier gab die Jury ihr Votum ab und verteilte Preise.

Die gelungene Abschlussveranstaltung des Wettbewerbs konnten Teilnehmende und Gäste, die auch zahlreiche Laborführungen auf dem Campus der CAU mitgemacht hatten, bei der Show des Seifenblasenkünstlers Björn Böttcher ausklingen lassen. Organisiert wurde „Nano erleben“ vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik, die Preise stiftete der Kieler Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften und Oberflächenforschung.

Ohne es richtig zu bemerken, benutzen wir im Alltag viele Strukturen, die nur noch wenige Nanometer groß sind. Beispielsweise sind in Computerchips die kleinsten Leiterbahnen bald nur noch 14 nm breit, das sind ca. 60 Atome. Damit nähern sich die Strukturen auf diesen Chips der Größe an, bei der sich die physikalischen Gesetze grundlegend ändern.

Zum Beispiel: Aus dem Alltag weiß man, dass Kupferdrähte den Strom besser leiten als Blei. In Drähten aus einem Atom ist das genau andersherum. Das Ziel unserer Forschung ist es dieses Verhalten in einzelnen molekularen Schaltern auf Oberflächen zu verstehen. Denn das Verständnis ist Voraussetzung um Moleküle als Nanomaschinen verwenden zu können.

„Metamaterialien sind künstliche Materialien, die aus konstruierten Zelleinheiten zusammengesetzt sind. Sie können verblüffende und einzigartige elektromagnetische Eigenschaften aufweisen, die die einzelnen Bestandteile an sich nicht besitzen. Mit ihnen sind neuartige Apparaturen denkbar, da die künstlich strukturierten Verbundwerkstoffe die Lücke im elektromagnetischen Spektrum schließen könnten, in der die Möglichkeiten anderer Materialien begrenzt sind“, erklärt Mehdi Keshavarz Hedayati von der Forschungsgruppe Nanochemie und Nanotechnik der Universität Kiel und Erstautor des Artikels.

Die von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entwickelte Struktur setzt sich aus drei Schichten zusammen. Die obere, welche dem UV-Licht ausgesetzt ist, ist ein Nanokomposit aus einer Siliciumdioxidmatrix in die jeweils fünf Nanometer große Nano-Silberpartikel eingebettet sind. Darunter ist eine Schicht aus Siliciumdioxid, die auf einem Silberfilm aufliegt. In diesem Stapel wird das ganze UV-A-Licht absorbiert: Wie ein Spiegel reflektiert die untere Schicht, der Silberfilm, einfallendes Licht. Das wiederum wechselwirkt mit den Nanopartikeln in der oberen Schicht, wo es absorbiert oder gestreut wird. Darüber hinaus löschen sich Lichtwellen gegenseitig durch Überlagerung zwischen den Schichten aus. Außerdem versetzt das Licht die Leitungselektronen der Nanopartikel in Schwingungen – sogenannte Oberflächenplasmonen –, so dass es in den winzigen Lücken zwischen den Partikeln gefangen wird.

„Bereits in vorhergehenden Studien konnten wir die hohe Absorption dieser Klasse von Metamaterialien zeigen. Aber jetzt haben wir unseren früheren perfekten Absorber auf die höheren UV-Frequenzen einstellen können, indem wir Gold oder Kupfer durch Silber ersetzt haben“, sagt Professor Mady Elbahri, Leiter einer gemeinsamen Forschungsgruppe des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und der Universität Kiel und Projektleiter. „Ein Metamaterial herzustellen, das für die UV-Frequenz funktioniert, ist sehr schwierig mit den herkömmlichen Methoden, die auf aufwendiger Nanolithographie basieren. Unsere Metamaterialien hingegen stellen wir durch Co-Sputtern her, eine Routinetechnik in der Dünnfilmtechnologie. Das macht unsere Idee anwendbar für eine Großproduktion.“

Die Verschlechterung von organischen Solarzellen durch UV-Licht ist ein herausforderndes Problem, das die Anwendung der Zellen begrenzt. Das neue Metamaterial, das das UV-Licht komplett blockiert, könnte die Haltbarkeit dieser Solarzellen verbessern. „Unser perfekter Absorber kann sogar auf flexiblem Material wie zum Beispiel Dünnfilm-Sonnenkollektoren auf Textilien der nächsten Generation aufgebracht werden“, fügt Hedayati hinzu. Auch bei schrägen Einfallswinkeln des Sonnenlichts absorbiert das Material nahezu perfekt.

Vorstellbar ist auch, dass das neue Konzept in vielen anderen Bereichen außer der Solartechnologie Einsatz findet. Beispielsweise in der Medizin, wo es in Sensoren genutzt werden könnte, um krebserregende Stoffe im menschlichen Körper aufzuspüren.

Die Idee zu dem Metamaterial bescherte Elbahri den Sonderpreis des schleswig-holsteinischen Ideenwettbewerbs 2012. Sein Doktorand Hedayati erhielt für seine Arbeit an dem Absorber kürzlich den „Khwarizmi Youth Award“, einen Preis, den das iranische Bildungsministerium an junge iranische Forschende für herausragende Leistungen vergibt.

Originalpublikation:
Plasmonic tunable metamaterial absorber as ultraviolet protection film.
M. K. Hedayati, A. U. Zillohu, T. Strunskus, F. Faupel and M. Elbahri, Appl. Phys. Lett. 104 , 041103 (2014), DOI: 10.1063/1.4863202

Dünne Schichten magnetisch schaltbarer Verbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Datenspeicherung und Elektronik. Dabei handelt es sich in der Regel um kristalline Festkörper, die bei hohen Temperaturen im Ultrahochvakuum auf die immer kleiner werdenden Bauteile aufgedampft werden. Magnetische Molekülverbindungen konnten für solche Zwecke bislang nicht eingesetzt werden, da sie üblicherweise unter diesen Bedingungen zerfallen.

Die Kieler Wissenschaftler des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ entdeckten, dass sich eine Molekülklasse, sogenannte Spincrossover-Komplexe, im Vakuum verdampfen und in dünnen Filmen abscheiden lässt, ohne dass sie ihre Eigenschaften verlieren. Durch äußere Einflüsse wie Druck und Temperatur lässt sich bei diesen Molekülen, die beispielsweise ein Eisenatom enthalten, der Magnetismus ein- und ausschalten. Der Vorteil der Molekülfilme gegenüber den kristallinen Festkörpern: Sie lassen sich zum Beispiel auch auf flexible Materialien aufbringen und könnten zu Bauelementen mit höheren magnetischen Speicherdichten führen.

Professor Felix Tuczek, Institut für Anorganische Chemie, Professor Lutz Kipp, Institut für Angewandte und Experimentelle Physik, und ihre Mitarbeiter konnten jetzt zeigen, dass sich der Magnetismus eines sieben Nanometer dünnen Films mit zirka sechs Moleküllagen dieser Komplexe auch durch Licht schalten lässt. Das gelang mit einem Ultraviolett-Photoelektronenspektrometer, mit dem sich diese Systeme im Ultrahochvakuum untersuchen lassen. Zuvor hatten die Forschenden bereits den Magnetismus einzelner Moleküle in einer einzelnen Schicht mit einer Injektion von Elektronen geschaltet. Die gezielte Kontrolle über Moleküle macht das Speichern von Informationen möglich.

„Unsere Fortschritte, diese Molekülklasse als winzige magnetische Speicher funktionieren zu lassen, eröffnen neue technische Anwendungsmöglichkeiten“, freut sich Tuczek über die Forschungsergebnisse. Noch klappe das Schalten nur bei tiefen Temperaturen von ungefähr minus 170 Grad. Das nächste Ziel sei daher, den schaltbaren Molekülfilm auch bei Raumtemperatur verwenden zu können.

Der Sonderforschungsbereich 677 erregte bereits in der Vergangenheit weltweites Aufsehen in der Wissenschaft durch spektakuläre Entdeckungen, so zum Beispiel durch die Synthese des sogenannten Plattenspieler-Moleküls, welches zum ersten Mal ermöglichte, den Magnetismus von Molekülen in Flüssigkeiten bei Raumtemperatur zu schalten. Neuartige Anwendungen wie schaltbare Kontrastmittel für die Computertomographie sind damit denkbar. Allen diesen Entdeckungen gemeinsam ist der Versuch der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, bislang kristallinen Festkörpern vorbehaltene magnetische Phänomene auf isolierte Moleküle und ultradünne Molekülfilme zu übertragen. In diesem Forschungszweig nimmt der Kieler Sonderforschungsbereich mittlerweile international eine Spitzenposition ein.

Doch mit der Herstellung von einfachen Nanopartikeln geben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht zufrieden. „Vor kurzem ist es uns auch gelungen schaltbare funktionalen Nanomaterialien in dem Tropfen herzustellen“, sagt Duygu Disci-Zayed, ein weiterer Autor der Studie. Entstanden sind die Arbeiten der gemeinsam am Helmholtz-Zentrum Geesthacht und an der CAU Kiel tätigen Forschungsgruppe innerhalb des Projektes DFG EL 554/1-1 und des Kieler Sonderforschungsbereichs (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“. Beide werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Im SFB 677 widmen sich etwa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Entwicklung von molekularen Maschinen. Die künstlichen Systeme, die durch Licht an- und ausschaltbar sein sollen, sollen zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Neben „Nature Communications“ haben weitere namhafte Magazine wie „Chemistry World“ und „Chemistry & Engineering News“ über die Forschungsergebnisse berichtet.

Originalpublikation:
E. Ludwig, H. Naggert, M. Kalläne, S. Rohlf, E. Kröger, A. Bannwarth, A. Quer, K. Rossnagel,L. Kipp und F. Tuczek (2014): Fe(II) Spincrossover-Komplexe in ultradünnen Filmen: Elektronische Struktur und Spinschaltung durch sichtbares und Vakuum-UV Licht. DOI: 10.1002/ange.201307968

Programm der Abschlussshow:

• 10.00 Uhr: Beginn & Begrüßung durch Prof. Dr. Rainer Herges
• 10.15 Uhr: Gastvortrag "Extreme Materialien aus der Nanotechnologie", Prof. Dr. Rainer Adelung
• 10.45 Uhr: Vorführung der Versuche aus dem Wettbewerb
• 12.30 Uhr: Mittagsimbiss und Standpräsentation
• 13.30 Uhr: Breitgefächertes Angebot an Laborführungen auf dem Campus der Universität Kiel
• 16.00 Uhr: Preisverleihung & Show ("Verzaubert von Seifenblasen", Dr. Björn Böttcher)

Interessierte können sich über das Formular im Flyer oder kontakt@nano-erleben.de verbindlich anmelden und Führungen buchen. Beiträge zum Wettbewerb können noch bis zum 16. Februar in Form einer Experimentbeschreibung und einer kurzen Vorstellung der eigenen Person beziehungsweise Projektgruppe unter kontakt@nano-erleben.de eingereicht werden. Teilnehmen können Schülerinnen und Schüler, Lehrkräfte und Nachwuchsforschende aller Fachdisziplinen.

Das zugrunde liegende Phänomen ist bekannt: Ein Wassertropfen fällt auf eine heiße Herdplatte und scheint berührungslos darüber zu schweben. Dieser so genannte Leidenfrost-Effekt entsteht, wenn die Temperatur der Platte viel höher ist als der Siedepunkt des Wassers. Ein Dampfpolster entsteht, auf dem der Tropfen gleitet, bis er vollständig verdampft. Die Forschenden der Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe Nanochemistry and Nanoengineering um Professor Mady Elbahri, CAU und HZG, machten sich für ihre Studie genau diesen Effekt zunutze. Sie platzierten einen Wassertropfen gefüllt mit Goldsalzen auf einer 270 Grad Celsius heißen Platte. Die schwebende gelbliche Lösung verwandelte sich innerhalb von zwei Minuten in einen roten Tropfen: Gold-Nanopartikel waren entstanden. „Gold-Nanopartikel sind begehrt und haben unglaublich vielfältige Anwendungsgebiete in der medizinischen Diagnostik, Luft- und Wasserreinigung sowie in der Elektronik. Unsere Herstellungsmethode mit dem Leidenfrost-Reaktor kommt ohne zusätzliche Wirkstoffe und aufwendige Technik aus“, sagt Elbahri.

Auch für andere Metalle und Metalloxide sei dieses „grüne“ Verfahren geeignet. Hoch interessant ist die Kombination von Leidenfrost-Chemie und Leidenfrost-Dynamik (Eigenrotation des Tropfens). Dabei werden die Nanoteilchen gebildet und organisieren sich selbst zu nanoporösem Gold. Man kann mit diesem Prozess aber auch ein Substrat, wie zum Beispiel einen polymeren Schaum beschichten, um damit leichtgewichtige und thermisch widerstandsfähige Bauteile zu erzeugen, erklärt Elbahri.

Wie funktioniert das Labor im Leidenfrost-Tropfen?
„Unsere Untersuchungen zeigen, dass der Wassertropfen auf der heißen Platte ein überhitzter und elektrisch geladener chemischer Reaktor ist“, erklärt Co-Autor der Studie Ramzy Abdelaziz. Das Wasser verdampfe so schnell beim Kontakt mit der heißen Oberfläche, dass es sich selbst ionisiere. Negativ geladene Hydroxyl-Ionen verbleiben dabei im Wasser, während sich positiv geladene Ionen im Dampf darunter befinden. Ein basischer pH-Wert im Tropfen ist die Folge, der für den chemischen Prozess der Nanosynthese nötig ist. „Wasser unter Leidenfrost-Bedingungen fungiert in der Reaktion wahrscheinlich als Katalysator“, vermutet Abdelaziz. Das herauszufinden, sei einer der nächsten Schritte der Chemikerinnen und Chemiker.

Jetzt will das Team Nanopartikel im größeren Maßstab auf diese Weise herstellen, denn Millionen Tonnen dieser Materialien werden jährlich für den Markt benötigt. Anwendung finden sollen die nachhaltig geschaffenen Teilchen mit den nützlichen Eigenschaften vornehmlich in ebenso nachhaltigen Funktionen im Umwelt- und Energiebereich in Elektroden oder Filtern,.

Gefragt, wie er auf die genial einfache Methode zur Herstellung von Nanopartikeln kam, antwortet Elbahri: „Zuhause beim Pfannkuchenbacken! Ich hatte versehentlich etwas Wasser auf die Herdplatte gespritzt und dann beobachtet, wie die schwebenden Tropfen nach dem Verdampfen dort Rückstände hinterließen.“ Zurück im Labor, versuchte er es, inspiriert durch dieses Erlebnis, zunächst mit gelöstem Zinkacetat und Silbernitrat – und entdeckte Zinkoxid- und Silbernanocluster auf der heißen Oberfläche. Ein Durchbruch, der sieben Jahre später einen viel versprechenden Weg Richtung nachhaltiger Produktion von funktionalen Nanomaterialien eröffnet. „Es war kein leichter Weg, das Ganze kontrollieren und vor allem verstehen zu können. Ich glaube es wird noch Zeit brauchen, bis wir das ganze Leidenfrost-Phänomen beschreiben können und nicht nur die Chemie dahinter. Das ist unser nächstes Ziel“, sagt Elbahri.

Doch mit der Herstellung von einfachen Nanopartikeln geben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht zufrieden. „Vor kurzem ist es uns auch gelungen schaltbare funktionalen Nanomaterialien in dem Tropfen herzustellen“, sagt Duygu Disci-Zayed, ein weiterer Autor der Studie. Entstanden sind die Arbeiten der gemeinsam am Helmholtz-Zentrum Geesthacht und an der CAU Kiel tätigen Forschungsgruppe innerhalb des Projektes DFG EL 554/1-1 und des Kieler Sonderforschungsbereichs (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“. Beide werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Im SFB 677 widmen sich etwa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Entwicklung von molekularen Maschinen. Die künstlichen Systeme, die durch Licht an- und ausschaltbar sein sollen, sollen zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Neben „Nature Communications“ haben weitere namhafte Magazine wie „Chemistry World“ und „Chemistry & Engineering News“ über die Forschungsergebnisse berichtet.

Originalpublikation:
Ramzy Abdelaziz, Duygu Disci-Zayed, Mehdi Keshavarz Hedayati, Jan-Hendrik Pöhls, Ahnaf Usman Zillohu, Burak Erkartal, Venkata Sai Kiran Chakravadhanula, Viola Duppel, Lorenz Kienle, Mady Elbahri. Green chemistry and nanofabrication in a levitated Leidenfrost drop. Nat. Commun. 4, 2400, doi: 10.1038/ncomms3400 (2013)

36 Vorträge von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus der Physik, Chemie und Biologie sowie zahlreiche Poster gaben nicht nur einen Überblick über das gesamte Fachgebiet. Die Gäste aus Japan, Norwegen, den USA, Kanada, Frankreich, Italien, den Niederlanden und Deutschland stellten auch Highlights vor: winzige biologische Motoren, die durch Licht angetrieben und gesteuert werden können, auf den Mikrometerbereich verkleinerte Labore, künstliche Sehzellen und durch Licht aktivierbare Lokalanästhetika.

"Unsere Grundlagenforschung zu molekularen Maschinen führt zu handfesten und vielfältigen Anwendungen in für die Gesellschaft extrem wichtigen Bereichen: Medizin, Energie, Ökologie", freute sich Professor Rainer Herges, Sprecher des Kieler SFBs 677 "Funktion durch Schalten" und Mitorganisator des Symposiums, über die Bandbreite der Präsentationen. Die Kieler Forscher berichteten ihren internationalen Kolleginnen und Kollegen von ihrer Arbeit an mit Licht schaltbaren Kontrastmitteln für die medizinische Diagnostik. Langfristig könnten diese maschinenartigen Moleküle Einsatz in der katheterunterstützten Operation von Schlaganfall- und Herzinfarktpatienten Anwendung finden und die bislang angewendete Röntgenbildgebung ersetzen, die mit einer erheblichen Strahlenbelastung verbunden ist.

Die ISOP war für die Teilnehmenden eine gute Plattform, um neue Ideen und Projekte anzustoßen. Für den SFB 677 an der Kieler Universität konnten so wichtige Kooperationspartner aus Deutschland, Italien und Japan gewonnen werden. "Insbesondere für unseren wissenschaftlichen Nachwuchs, der mit allen weltweit führenden Expertinnen und Experten auf dem Gebiet der Photochromie diskutieren konnte, war das Symposium eine ausgezeichnete Erfahrung", sagte Herges abschließend.

Der Film zeigt die Zusammenarbeit zwischen Organischer Chemie und der Neuroradiologie am Universitätsklinikum Schleswig-Holstein bei der Entwicklung schaltbarer MRT-Kontrastmittel. Die Entwicklung der sog. "Plattenspieler-Moleküle" wird ausgehend von Modellen und Computer-Simulationen über die Synthese im Labor bis zu den geplanten klinischen Anwendungen demonstiert.

Mehdi Keshavarz Hedayati präsentierte sein Poster "Perfect plasmonic absorber for visible frequency" auf der Tagung Metamaterials'2013. Die Fachtagung zu neuen elektromagnetischen Materialien fand vom 16.-19. September in Bordeaux statt. Mehdi Keshavarz Hedayati forscht als Doktorand am Teilprojekt C09 "Multifunktionale photoschaltbare Polymerfasern" in der Gruppe von Professor Mady Elbahri an der Technischen Fakultät Kiel und gewann den ersten Platz in der Kategorie "Student Poster".

Lorenz Kampschulte präsentierte auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP) in München das Poster "Authentizität in informellen Lernorten im Bereich der Nanowissenschaft". Als Mitarbeiter im Teilprojekt "Öffentlichkeitsarbeit" am IPN Kiel beschäftigt er sich mit der praktischen Umsetzung als auch der Forschung an Outreach-Aktivitäten des SFB 677. Für das Poster, das erste Ergebnisse der Pilotierung der SFB-Ausstellung auf der diesjährigen Kieler Woche zeigt, gewann er den GDCP-Posterpreis 2013.

Interferenz an einer Seifenblasenhaut mit nanodimensionierter Schichtdicke
Photo © IPN

Interferenz an einer Seifenblasenhaut mit nanodimensionierter Schichtdicke
Photo © IPN

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Nanophänomene und Nanotechnologie sind heutzutage in vielen Bereichen unseres Alltags präsent: Seifenblasen mit nanodimensionierter Schichtdicke, Hightech-Effektlacke oder superabsorbierende Nanovliese sind nur einige Beispiele. „Nanotechnologie ist überall – oft, ohne dass wir es merken. Aber was genau bedeutet Nano?“, erklären Dr. Stefan Schwarzer und Dr. Lorenz Kampschulte vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) die Fragestellung des Wettbewerbs, den sie für den SFB koordinieren. „Teilnehmerinnen und Teilnehmer sollen spannende Versuche für den Schulunterricht entwerfen, die zeigen, wie Nanotechnologie funktioniert“, so Kampschulte weiter.

Angesprochen sind alle Schülerinnen und Schüler, Lehrkräfte und Nachwuchsforschenden aus Deutschland. Ob Nanotechnologieprodukte, Nanosysteme oder die Herstellung nanodimensionierter Strukturen: Besonderen Wert legt die internationale Fachjury aus Nanowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern, Kommunikations- sowie Didaktikexpertinnen und -experten auf eine anschauliche Erklärung und Aufbereitung der Versuche. Im Mittelpunkt steht das Experiment, das mit Kurzfilmen, Animationen oder Modellen ergänzend dargestellt werden kann.

Neun Teilnehmerinnen und Teilnehmer können ihren Versuch in einer Abschlussveranstaltung am 27. März 2014 vorführen. Die Jury kürt anschließend drei Gewinnerinnen beziehungsweise Gewinner. Diese erhalten nicht nur Geldpreise: „Die prämierten Versuche werden über Lehrerfortbildungen des IPN Schulen in und um Schleswig-Holstein angeboten und tragen nachhaltig dazu bei, Brücken zwischen Schulunterricht und aktueller Forschung zu schlagen“, erzählt Stefan Schwarzer. Außerdem können die neun Gruppen ihren Beitrag an einem eigenen Stand präsentieren und haben die Chance auf einen Sonderpreis, einen Nanoexperimentierkoffer.

Beiträge in Form einer Experimentbeschreibung und einer kurzen Vorstellung der eigenen Person beziehungsweise Projektgruppe können ab sofort unter kontakt@nano-erleben.de eingereicht werden. Abgabefrist ist der 16. Februar 2014.

Bei unterschiedlichen Temperaturen wechselt eine komplexe Eisen(II)-Verbindung dabei ihre Farbe von pink nach grün und ihren magnetischen Zustand. Diese eindrucksvollen und umkehrbaren Effekte können Chemie-Lehrerinnen und -Lehrern helfen, ihren Schulklassen die Themenfelder Thermochromie und magnetisches Verhalten anschaulich zu erklären.

In einem kürzlich erschienenen Onlineartikel wird das Thema schaltbarer Spinübergangskomplex als potenzieller Lernschalter diskutiert. Eine ausführlichere Darstellung des Experiments erscheint bald in einem Folgeartikel mit dem Titel "„Künstliches Blut“ – Synthese eines magnetisch und farblich schaltbaren Eisen-Komplexes" und wird bereits jetzt in folgendem Video vorab gezeigt.

Auf dem Symposium treffen sich die weltweit führenden Experten auf diesem Gebiet und berichten über alle Aspekte vom Design molekularer Systeme bis hin zur Anwendung photoaktiver Materialien sowie photoschaltbarer biologischer Werkzeuge. Die Tagung wird durch ein eintägiges Meeting des PHENICS-Netzwerks ergänzt, um die internationale Zusammenarbeit auf diesem Gebiet zu verstärken und insbesondere Nachwuchswissenschaftlern die Gelegenheit zu geben, ihre Ergebnisse zu präsentieren.

Photo © Kuratorium für die Tagungen der Nobelpreisträger in Lindau

Photo © Kuratorium f. d.
Tagungen d. Nobelpreistr.
in Lindau

Wie lassen sich Schülerinnen und Schüler in den Naturwissenschaften innerhalb und außerhalb der Schule am besten fördern? Diese Frage diskutierten Dr. Stefan Schwarzer und Wilfried Wentorf vom IPN gemeinsam mit den ausgezeichneten Lehrerinnen und Lehrern. Im Gepäck hatten sie das Konzept für das Schülerlabor „Klick!“, das in der Kieler Forschungswerkstatt Schülerinnen und Schülern der Mittel- und Oberstufe, aber auch bereits aus der Grundschule, die Arbeit der Spitzenforscherinnen und -forscher des SFBs näher bringt. An verschiedenen Experimentierstationen beispielsweise zu molekularen Schaltern, magnetischen Flüssigkeiten oder zur Bionik testeten die Chemielehrerinnen und -lehrer aus, wie Brücken zwischen Schulunterricht und Forschung geschlagen werden können.

„Unser Ziel ist es, mit dem Projekt aktuelle und bedeutsame Forschung für Bildung und Öffentlichkeit motivierend und verständlich zugänglich zu machen“, erklärte Schwarzer. Von einer Zusammenarbeit der Schulen mit außerschulischen Angeboten wie dem Schülerlabor profitierten beide Seiten: „Das Klick-Labor bietet für Lehrerinnen und Lehrer eine gute Möglichkeit, sehr talentierte Schülerinnen und Schüler zu fördern. Zeitgleich wecken wir früh das Interesse für ein Studium oder einen Beruf in den Naturwissenschaften“, sagte Wentorf.

Die Präsentation des Kieler Konzepts überzeugte neben den Lehrkräften auch das Kuratorium der Nobelpreisträgertagung: Im Bereich Talentförderung und authentischer Vermittlung von Forschung in den Naturwissenschaften möchte es zukünftig enger mit dem IPN zusammenarbeiten.

Photo © CAU

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„Ein voller Erfolg“, fasste Dr. Stefan Schwarzer vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN) die Resonanz auf die Aktionen zusammen, die Laien verständliche Einblicke in die Wissenschaft „der kleinen Dinge“ ermöglichen sollen. Zusammen mit dem Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“ an der CAU hat das IPN eine Ausstellung entwickelt, in der eine Kombination von Film, Bild, Text und verschiedenen Exponaten den Weg von der Forschung zu Produkten aus dem Alltag deutlich macht. Ihre Premiere feierte sie nun auf der Kieler Woche.

Die Besucherinnen und Besucher staunten über funktionale Kleidung, die den natürlichen Lotus-Effekt imitiert, über Lacke und sogar Zahnpasta, in der Erkenntnisse aus den Nanowissenschaften verarbeitet sind. „Mir war nicht bewusst, dass in so vielen Alltagsprodukten ‚nano’ drin ist. Vor allem die Veranschaulichung von Produkten und ihrem Vorbild in der Natur war sehr spannend!“, sagte ein Besucher.

Für Aha-Erlebnisse sorgte auch das Angebot des klick!:labors, das sonst Schülerinnen und Schüler auf dem CAU-Campus experimentieren lässt: Kinder konnten hier unter Betreuung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern messen, wie dick die Wand einer Seifenblase ist. So bekamen sie eine Idee davon, wie klein die Dimension „Nano“ ist. Außerdem legten sie molekulare Schalter um und brachten Feststoffe und Flüssigkeiten durch elektrischen Strom oder UV-Licht dazu, ihre Farbe zu wechseln.

Die Ausstellung soll nach dem erfolgreichen Auftakt weiter ausgebaut werden und anschließend Schulklassen zur Verfügung stehen. „Wir nehmen die Anregungen der Besucher auf und verfeinern das Angebot“, sagte Dr. Lorenz Kampschulte, der die Ausstellung verantwortete. „Das große Interesse der kieler uni live-Gäste an unserem Forschungsgebiet hat uns sehr gefreut“, sagte Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB 677, „Wir hoffen viele für die faszinierende Welt der Nanostrukturen begeistert zu haben – vielleicht sogar soweit, dass der eine oder andere Interesse für ein natur- oder ingenieurswissenschaftliches Studium in diesem Bereich gewonnen hat."

Beide interdisziplinären Teams tauschten sich während unterschiedlicher Präsentationen und Führungen an der Universität und der Fachhochschule über ihre Aufgaben und Erfahrungen auf dem Gebiet mikroskopischer und makroskopischer Maschinen aus. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Chemie, Materialwissenschaft, Physik und Medizin der CAU einerseits sowie die aus der Ingenieurwissenschaft, Betriebwirtschaftslehre und des Designs an der FH andererseits erhielten dadurch neue Einblicke in die Arbeitswelt der jeweils anderen. „Gerade die erfolgreiche Zusammenarbeit in industriellen Gruppen verlangt den ständigen Austausch zwischen Entwicklern, Forschern und Herstellern. Um unsere Doktoranden auf diese zukünftige Herausforderung optimal vorzubereiten, möchten wir zunächst einmal die Fachsprache und Herangehensweise des anderen Arbeitsteams verstehen und so Schritte über die eigenen Horizonte wagen,“ erklärt Hendrikje Neumann, Sprecherin des Graduiertenkollegs im SFB-Team der CAU, die Idee hinter dem Treffen.

Vormittags besuchten die Teilnehmenden unter anderem das Audiolabor, die Reinraumlabore und die Femtosekunden-Laserlabore auf dem CAU-Campus. Nachmittags führte das Raceyard-Team an der Fachhochschule durch die Werkshallen. In einem Testlauf demonstrierte es seinen selbst gestalteten und gebauten Rennwagen mit Elektroantrieb. Der E-Bolide wird in diesem Jahr bei internationalen Wettbewerben in Silverstone, Hockenheim und Barcelona starten.

„Dieser erste Austausch unserer so unterschiedlichen Arbeitsgruppen mit ihren zukunftsweisenden Projekten soll Kiel als Bildungsstandort weiter bereichern. Von den gebündelten Kompetenzen kann auch die regionale Industrie profitieren“, so Neumann weiter.

Die Teilnehmer können je nach Interessenslage ihre Aussprache, Kommunikationsfähigkeiten und Präsentationsfähigkeiten in zahlreichen Rollenspielen und praktischen Übungen schulen. Um einen verbesserten Lernerfolg zu erzielen, findet der Kurs in diesem Jahr an 4 Terminen statt, wobei der erste Kurs im April 2013 abgehalten wurde. Der nächste Termin wird am 13. und 14. Juni 2013 sein.

In der Natur finden sich Oberflächen, auf denen nichts haften bleibt, zum Beispiel bei der Kapuzinerkresse. Hier perlt Wasser einfach ab und reinigt dabei sogar das Blatt von Schmutzpartikeln. Man spricht in diesem Zusammenhang vom Lotus-Effekt. Auch künstlich erzeugte Materialien wie Teflon weisen Antihaft-Eigenschaften auf. Sie sorgen dafür, dass in der Bratpfanne nichts anbrät. Für Forscherinnen und Forscher im SFB 677 stellte sich nun die Frage, wie zwei Materialien, die eigentlich überhaupt nicht miteinander zu verbinden sind, aneinander haften können. Teflon und Silikon sind so ein Paar. Hierfür wurde eine Art Heftklammer entwickelt, sogenannte Tetrapoden. Diese Zink-Tetrapoden dringen aufgrund ihrer besonderen Form in beide zu verbindenden Schichten ein und sorgen ohne „Klebstoff“ für ein Anhaften. Mit Hilfe dieser neuen Entdeckung ist es zukünftig vorstellbar, Silikonfugen überstreichbar zu machen oder verbesserte Medizinprodukte zu entwickeln.

Auszug aus Spektrum neo Nr.3: Expedition in die Nano-Welt

Quelle: Spektrum der Wissenschaft / Daniela Leitner

Wie oft ist uns das schon passiert: Wir verlassen morgens das Haus im strahlenden Sonnenschein, und kurz darauf fängt es in Strömen zu regnen an. Und die Regenjacke hängt natürlich zu Hause im Schrank! In so einer Situation wäre es sehr praktisch, wenn wir unsere Kleidung einfach so von kühl und luftig auf wasserdicht und warm umschalten könnten. Um uns diesen Wunsch vielleicht eines Tages erfüllen zu können, tüfteln Forscher schon länger an »schaltbaren Oberflächen«. Denn die Eigenschaften von manchen Materialien lassen sich tatsächlich wie auf Knopfdruck verändern. Den Schlüssel dazu bilden winzige Nanoteilchen, die ihre Form ändern, beispielsweise wenn sie Licht ausgesetzt sind. Wenn viele solcher »schaltbaren Moleküle« dicht an dicht auf einer Oberfläche liegen, können sie deren Eigenschaften komplett umkrempeln. In den letzten 20 Jahren ist es Chemikern gelungen, eine ganze Reihe von diesen Schaltmolekülen herzustellen. Die meisten reagieren auf Licht; das bekannteste von ihnen trägt den Namen »Azobenzol«. Mit einer Größe von nur rund 0,8 Nanometern ist es ein echter Winzling unter den Nano-Objekten! Im Ruhezustand ist Azobenzol lang gestreckt. Bestrahlt man es aber mit ultraviolettem Licht (UV-Licht), das andere Eigenschaften als sichtbares Licht besitzt, dann knickt es in der Mitte ab und wird gespannt wie eine Feder (wie in der Grafik unten). Mit blauviolettem, sichtbarem Licht wird die Feder ausgelöst, und das Molekül springt in die gestreckte Form zurück. Mittlerweile gibt es sogar einige leicht veränderte Azobenzole, die beim Abknicken zum Beispiel ihre Farbe ändern können.

Begleitende Materialien:
Aufgabenvorschläge zur Einbindung von Spektrum neo in den Unterricht
Online-Versuch: Dem Lotuseffekt auf der Spur

Das klick!:labor bietet Schülerinnen und Schülern aller Jahrgangsstufen die Gelegenheit für faszinierende Experimente und Einblicke in das echte Forschen von Chemikern, Physikern, Biologen und Materialwissenschaftlern. Im klick!:labor hat der SFB 677 somit die Möglichkeit, Schülerinnen und Schülern sowie angehenden Lehrkräften nicht nur Forschungsergebnisse, sondern auch den Prozess des wissenschaftlichen Arbeitens näher zu bringen. Geleitet wird das Schülerlabor von Dr. Stefan Schwarzer vom Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik (IPN). Das Konzept wurde im Teilprojekt Öffentlichkeitsarbeit von Prof. Dr. Ilka Parchmann entworfen.

Zu den Versuchen im klick!:labor gehören Schichtdicken- und Interferenzmessungen an einer Seifenblase, Modellexperimente zu Schaltern mithilfe von Photo, Thermo- und Elektrochromie, Kontaktwinkelmessungen an verschiedenen Materialien und ein Rasterkraftmikroskop. Die Angebote werden gemeinsam durch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Lehrkräfte weiterentwickelt. Das klick!-Team integriert daher auch zukünftig neue Ideen für Experimente aus den Reihen des SFB 677.

Die Kieler Forschungswerkstatt ist ab sofort in den Räumen des Botanischen Gartens an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zu finden. Bereits nach den Herbstferien werden die ersten Schulklassen nach Herzenslust und unter fachkundiger Anleitung experimentieren und lernen. Auch Lehrkräfte und Lehramtsstudierende werden in der Kieler Forschungswerkstatt aus- und weitergebildet. Neben dem klick!:labor gehören weitere Labore zur Forschungswerkstatt: derzeit ein denk:labor, ein ozean:labor, und ein energie:labor. Zur Anmeldung von Gruppen oder Einzelpersonen kann das Kontaktformular auf den Seiten der Forschungswerkstatt genutzt werden.

Drei Arbeitsgruppen des SFB 677 aus Materialwissenschaften (R. Adelung), Chemie (A. Staubitz) und Biomechanik (S. Gorb) arbeiteten zusammen an diesem Ergebnis des Teilprojektes C10. Der Ansatz wird nun genutzt, schaltbare mit nichtschaltbaren Polymeren zu verbinden.

Dr. Zaporojtchenko war von 2007 bis 2011 einer der Projektleiter des Teilprojekts C01 "Photoschaltbare Metall-Polymer-Nanokomposite".

Der Film gibt einen Überblick über die aktuellen Forschungsarbeiten über kohlenhydratspezifische bakterielle Adhäsion. Die Arbeitsgruppe verwendet funktionale Glycomimetika und spezifische Glyco-Arrays, die aus photoschaltbaren Glycosiden aufgebaut werden können.

Die neuartigen Schalter verwenden als Schalteinheit das Diazocin-Gerüst als Weiterentwicklung des bekannten Azobenzols. Beim Belichten ändern die Substanzen nicht nur die Farbe, sondern können durch die strukturelle Versteifung auch als molekulare Synthesemaschine eingesetzt werden.

Der Beilstein-TV-Beitrag gibt einen Einblick, wie man ausgehend von einer Idee über computergestützte Planung und optimierte Synthese zu neuen Schaltern kommt.

Die Kursteilnehmer befassten sich intensiv mit der korrekten englischen Aussprache und Intonation. Ein weiterer zentraler Punkt war ein intensives Coaching zur Verbesserung des Vortragstils bis hin zur Anwendung rhetorischer Stilmittel, um Vorträge möglichst interessant und publikumsnah halten zu können. Für diesen Kurs konnte der SFB 677 Gary Owston als Kursleiter gewinnen. Er unterrichtet hauptberuflich Sprach- und Stimmtraining an der Bristol Old Vic Theatre School, einer der bekanntesten Schauspielschulen Großbritanniens. Diese Arbeit wird als wöchentlich stattfindender Kurs von Anne Staubitz fortgesetzt und wir hoffen, diesen Kurs nun regelmäßig anbieten zu können.

Moleküle als Datenspeicher anstelle von elektronischen oder magnetischen Speicherzellen nutzen zu können, würde die Datenspeicherung revolutionieren. Molekulare Speicherzellen wären tausendfach kleiner als herkömmliche. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des SFB 677 sind nun der molekularen Speicherzelle einen großen Schritt näher gekommen. Es gelang dem Physiker Dr. Thiruvancheril Gopakumar gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Arbeitsgruppen Raster-Tunnelmikroskopie um Professor R. Berndt und Anorganische Molekülchemie um Professor Felix Tuczek, den Magnetismus von einzelnen, so genannten Spincrossover-Molekülen, mithilfe von Elektronenübertragung gezielt ein- und auszuschalten. Die interdisziplinäre Studie belegt, dass das Speichern von Informationen auf den Molekülen technisch machbar ist und wurde in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

• Link zur Originalpublikation.
• Link zur CAU-Pressemitteilung.

Nach der Vorauswahl durch die Expertenjury aus Nanowissenschaft, Politik, Wirtschaft, Medien und Gesellschaft wurde der Kurzfilm gemeinsam mit zehn anderen Nanospots zur Präsentation im Mitteldeutschen Multimediazentrum Halle im Zuge der „Langen Nacht der Wissenschaften“ gezeigt und vom Publikum bewertet. Im Rahmen des Teilprojektes Öffentlichkeitsarbeit erarbeitete ein Team aus Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Dr. S. Schwarzer und Prof. T. K. Lindhorst den Festivalbeitrag „Vijay und die Schalter“ gemeinsam mit den Kieler Filmemachern F. Wenning und P. Achterberg von der Firma Weitwinkelproduktion. Er greift die Arbeiten aus dem Teilprojekt „B11 - Schaltbare Zelladhäsion“ auf.

Es geht in der Forschung um molekulare Schalter, die das Anheften von Bakterienzellen an andere Zellen verhindern können. "Solche Nano-Schalter könnten in Zukunft bei der Diagnose oder Behandlung von Darmbakterien wie EHEC helfen", erläutert Professorin T. K. Lindhorst. Mithilfe von Kurzfilmen, so S. Schwarzer vom IPN, will der SFB 677 in Zukunft verstärkt die Auseinandersetzung zwischen Wissenschaft und Gesellschaft zum Thema Nanotechnologien fördern. Der Podcast ist die wissenschaftlich tiefer gehende Version des kürzlich preisgekrönten Kurzfilms "Vijay und die Schalter".

Die Tagung beschäftigte sich mit dem Fortschritt in der dynamischen AFM (atomic force microscopy) und wurde von 200 Wissenschaftlern aus aller Welt besucht. Nadine arbeitet zu Zeit an ihrer Dissertation in der Arbeitsgruppe von Prof. Berndt. Ihre Forschung ist ein zentrales Thema im SFB 677 "Funktion durch Schalten". Ihrer Arbeit konzentriert sich insbesondere auf die wirkenden Kräfte, wenn Moleküle mit einer Metall-Elektrode kontaktiert werden.

Sie nimmt die Nutzerin oder den Nutzer mit auf eine Reise in kleine Dimensionen und zeigt, womit sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigen und wo Nano auch im Alltag zu finden ist. Mit der App können AR- Codes gescannt werden (diese sind unter Downloads als Booklet herunterzuladen). Die Kamera des Smartphones fungiert wie eine Art Mikroskop die das Unsichtbare sichtbar macht. Weitere Informationen finden Sie in der CAU-Pressemitteilung.

Auch zur diesjährigen Tagung konnten wieder international renommierte Sprecher gewonnen werden. Die Themen der Vortragssessions umfassen: Festkörper und Materialien, Supramolekulare Chemie, STM / lokale Manipulation, Molekulare Architekturen, Ultraschnelle Dynamik, Photochemie und Theorie, Spinschaltung. Die Registrierung ist ab sofort verfügbar.

Das Teilprojekt Öffentlichkeitsarbeit des SFB 677 und die Arbeitsgruppe von Prof. Thisbe Lindhorst haben sich mit dem Beitrag "Vijay und die Schalter" für die Endrunde am 05. Juli in Halle qualifiziert. Der Kurzfilm gehört damit zu den besten zehn Einreichungen und hat die Chance auf Preisgelder in der Gesamthöhe von 10.000 Euro. Der Film wird in Kürze auf den Seiten des SFB 677 zum Ansehen angeboten.

Im Schülerlabor Klick! werden wissenschaftlichen Aufgaben, Prozesse und Erkenntnisse aus dem SFB 677 und anderen Projekten in verständliche und Interesse weckende Versuche und Simulationen übersetzt. Näheres über die Veranstaltung finden sie in der CAU-Pressemitteilung.

Schülerinnen und Schüler nutzten rege das Angebot, um sich über aktuelle Forschungsthemen im SFB zu informieren. Besonders gut kam ein „Nano-Quiz“ vom Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften / der Arbeitsgruppe um Ilka Parchmann an.

Neben den zu erschließenden fachlichen Leitfragen (Was bedeutet Nano-Science? Was ist das Prinzip chemischen und physikalischen Schaltens? Welche Methoden und Verfahren eignen sich zur Charakterisierung?) wurden ebenfalls die didaktischen Ziele (Erweiterung schulischer Basiskonzepte, Kombination von Experiment und Multimedia, Einblicke in den Forschungsalltag von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern) hervorgehoben.

Die Arbeit ist unter dem Titel “FeIII Spin-Crossover Complexes with Photoisomerizable Ligands: Experimental and Theoretical Studies on the Ligand-Driven Light-Induced Spin Change Effect” erschienen.

Link zur Publikation

Ende Mai wird Herges auf Einladung des Musher Memorial Lecture Committee an der Hebräischen Universität Jerusalem und weiteren israelischen Hochschulen referieren. Der Musher-Preis wird einmal pro Jahr in Gedenken an den 1974 verstorbenen, jüdischen Chemiker Jeremy Musher vergeben. Die Auszeichnung wird ausnahmslos an besonders hochrangige Forscherinnen und Forscher verliehen, darunter sind beispielsweise die Nobelpreisträger Roald Hoffmann und George Olah. Siehe auch die CAU-Pressemitteilung

Stefanie Maack ist neue Referentin für Wissenschaftskommunikation an der Stabstelle Presse, Kommunikation und Marketing der CAU und fokussiert thematisch auf die SFBs 677, 855 und 877. Sie wird die SFBs vorwiegend durch das Verfassen von Pressemitteilungen (z.B. im Vorfeld wichtiger Publikationen), durch Beratung zur Projektkommunikation (Zielgruppen, Informationskanäle, Sprache) und Zugang zu Medien stärken. Alle Mitglieder des SFB sind herzlich eingeladen, sich direkt an Frau Maack zu wenden (smaack@uv.uni-kiel.de, -1755). Mehr zur Person im CAU-intern (nur im Uni-Netz)