Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung e.V. Abteilung Kolloidchemie

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Deutschland

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Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. Fachgruppe Makromolekulare Chemie

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Produktkategorie: Institutionen

Forschungsprogramm - Kolloidchemie

Die Abteilung Kolloidchemie befasst sich mit der Synthese verschiedener kolloidaler Strukturen im Nanometerbereich. Dazu gehören anorganische und metallische Nanoteilchen, polymere und peptidische Baueinheiten, deren Mizellen und organisierte Phasen, aber auch Emulsionen und Schäume. Die Kolloidchemie ist in der Lage, durch geeignete funktionalisierte Kolloide, Materialien mit einer Strukturhierarchie zu erzeugen. So entstehen neue Eigenschaften durch die „Teamarbeit“ der Funktionsgruppen. Bei geeigneter Architektur können diese Kolloide mit chemischer Struktur sehr spezielle Aufgaben erfüllen. Molekulare Systeme können dies aufgrund der Komplexität nicht. Ein Beispiel dafür ist die Haut: Es gibt keinen Kunststoff, der so weich, gleichzeitig so reißfest ist und trotzdem zu großen Teilen aus Wasser besteht. Auch hier besteht das Geheimnis im Zusammenspiel dreier Komponenten (Kollagen, Hyaluronsäure, Proteoglycan). Erst durch Überstrukturbildung „im Team“ wird die ungewöhnlicheEigenschaftskombination bewerkstelligt.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der gezielten Kodierung von Strukturbildung und Selbstorganisation und der damit verknüpften Strukturhierarchie. Neben der Synthese werden in Untergruppen auch moderne analytische Verfahren zur Charakterisierung der auftretenden Strukturbilder entwickelt, z. B. Verfahren der Licht- und Röntgenstreuung sowie der Ultrazentrifugation.

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Produktkategorie: Institutionen

Forschungsprogramm - Emeritusgruppe (Grenzflächen)

Das Verstehen molekularer Grenzflächen und damit auch deren Bedeutung für kolloidale Systeme ist Hauptgegenstand unserer Forschung. Die geringe Teilchengröße zwischen einem und 1.000 Nanometern führt von Natur aus zu einem hohen Oberflächen/Volumen Verhältnis. Aufgrund dieses Verständnisses hat sich die Forschung der Abteilung im Bereich der Charakterisierung planarer und nicht-planarer Grenzflächen deutlich verstärkt. Zudem wurde erfolgreich versucht, dieses Wissen auf gekrümmte Grenzflächen zu übertragen. Mit diesem Hintergrund gelang es mehr über planare Grenzflächen zu lernen, da große Oberflächenbereiche mittels Techniken, wie NMR oder DSC genauestens erforscht werden konnten.

Im Bereich von gekrümmten Grenzflächen konzentriert sich die Strategie der Abteilung auf die Grundlagenforschung und die damit gekoppelten Aspekte. Darüber hinaus werden wir jedoch auch anderen Arbeitsgruppen bzw. Firmen bei der Entwicklung von Anwendungen wie z.B. neuer Materialien zur Seite stehen. In der Vergangenheit arbeiteten wir bereits innerhalb vieler großer Projekte mit anwendungsorientierten Partnern zusammen so in der "Bio-Nanotechnologie" und im Bereich komplexer Systeme. Dabei konzentrierte sich die Arbeit auf das Grundlagenverständnis und das Studium von Modellsystemen. In diesem Zusammenhang entstand auch die gemeinsame Arbeitsgruppe mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP.

Eine unserer Stärken liegt in der Entwicklung neuer Methoden, um Grenzflächen zu charakterisieren. So konnten wir bislang die Röntgenbeugung an Oberflächen und die Fluoreszenzmikroskopie einführen. Dies hat dazu geführt, dass wir heute in der Lage sind dynamische Oberflächenspannungsmessungen durchzuführen und diese mit einer zweiten harmonischen und Summenfrequenzerzeugung zu kombinieren.

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Über uns

Firmenporträt

Die Kolloid- und Grenzflächenforschung beschäftigt sich mit sehr kleinen bzw. sehr dünnen Strukturen im Nano- und Mikrometerbereich. Einerseits handelt es sich bei diesen Strukturen um eine ganze „Welt der versteckten Dimensionen“, andererseits bestimmt die komplexe Architektur und Dynamik dieser Strukturen das Verhalten von sehr viel größeren Systemen, wie z. B. Organismen. Ein tieferes Verständnis von Kolloiden und Grenzflächen ist deshalb Schlüssel für zahlreiche Neuerungen, wie z. B. die Entwicklung von „intelligenten“ Wirkstoffträgern und Biomaterialien. Dazu ist ein interdisziplinärer Zugang notwendig, der chemische Synthese und biomimetische Materialentwicklung mit physikalischer Charakterisierung und theoretischer Modellierung verknüpft. Die Nano- und Mikrostrukturen, die am MPIKG erforscht werden, sind aus speziellen Molekülen aufgebaut, die nach dem Prinzip der Selbstorganisation „von selbst“ geordnete Strukturen aufbauen.

Biomaterialien (Professor Peter Fratzl)

Viele Nano- und Mikrostrukturen sind hierarchisch aufgebaut. Besonders eindrucksvolle Beispiele für diesen „verschachtelten“ Systemaufbau finden sich in mineralisierten Geweben, wie Knochen, Zähnen oder Muschelschalen, sowie in Pflanzen und deren Zellwänden. Diese Systeme werden in der Abteilung „Biomaterialien“ mit physikalischen Methoden erforscht. Dabei wird z. B. die Methode der fokussierten Synchrotronstrahlung eingesetzt, die es erlaubt, die Struktur von Mikrodomänen des Materials sichtbar zu machen. Im Zentrum des Interesses stehen die Struktur-Funktions-Beziehungen dieser natürlichen Materialien, insbesondere ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, die sich ständig wechselnden äußeren Bedingungen anpassen.

Biomolekulare Systeme (Professor Peter H. Seeberger)

In der Abteilung „Biomolekulare Systeme“, die im Jahr 2008 neu eingerichtet wurde, werden z. B. „maßgeschneiderte“ Zuckermoleküle synthetisiert und mit anderen molekularen Gruppen verknüpft. Diese komplexen Kohlehydrate können andere Kohlehydrate sowie Proteine und Antikörper an ihrem molekularen Aufbau erkennen und diskriminieren. Ein langfristiges Ziel ist dabei die Entwicklung von neuartigen Impfstoffen auf Zuckerbasis.

Kolloidchemie (Professor Markus Antonietti)

Hier werden wiederum verschiedenartige Makromoleküle eingesetzt, um daraus mesoskopische Verbundsysteme und Hybridmaterialien mit unterschiedlicher Architektur aufzubauen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der gezielten Kodierung von Strukturbildung und Selbstorganisation, d. h. die Moleküle enthalten bestimmte Muster, die die Strukturbildung steuern und die Zielstruktur weitgehend festlegen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Abteilung ist die Umwandlung von Biomasse in Kohle mittels der hydrothermalen Karbonisierung, ein Prozess, der einen wichtigen Beitrag zur Fixierung von CO2 liefern könnte.

Theorie & Bio-Systeme (Professor Reinhard Lipowsky)

Die Aktivitäten der vier experimentellen Abteilungen werden durch theoretische Untersuchungen in der Abteilung „Theorie & Bio-Systeme“ ergänzt. Aktuelle Schwerpunkte der Theorie sind molekulare Maschinen und mehrkomponentige Membranen. Zur Abteilung gehört auch ein Labor für die experimentelle Untersuchung von Lipid-Membranen und -Vesikeln. Diese theoretischen und experimentellen Aktivitäten verfolgen das langfristige Ziel, die grundlegenden Mechanismen und generellen Prinzipien aufzuklären, die die Selbstorganisation von Bio-Systemen im Nanobereich bestimmen.

Emeritusgruppe (Professor Helmuth Möhwald)

Weitere Nanostrukturen, die sich „von selbst“ organisieren, sind molekulare Monoschichten sowie Multischichten aus positiv und negativ geladenen Polymeren, zwei Schwerpunkte der Abteilung „Grenzflächen“. Die Nanostrukturen werden dabei an mesoskopischen und makroskopischen Grenzflächen befestigt und können dann mit physikalischen Untersuchungsmethoden sehr präzise vermessen werden. Die Multischichten von geladenen Polymeren lassen sich für die Verkapselung von ganz unterschiedlichen Wirkstoffen einsetzen, von biologischen Wirkstoffen hin bis zum Korrosionsschutz.

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