Beiträge im Jahrbuch der MPG

Beiträge im Jahrbuch der MPG

2019

  • Malaria- und Krebswirkstoffe aus Pflanzenabfall, Licht und Luft

    2019 Seeberger, Peter H.

    Artemisinin, Grundlage der derzeit wirksamsten Malariawirkstoffe, wird aus dem einjährigen Beifuß (Artemisia annua) gewonnen. Die Aufreinigung ist aber ineffizient und teuer, so dass die Hälfte des Medikamentenmarktes mit wirkungslosen Fälschungen bedient wird. Wir haben ein umweltfreundliches Verfahren entwickelt, welches ein von der Pflanze produziertes Abfallprodukt mit Hilfe von durch Licht aktiviertemSauerstoff effizient zum Medikament umwandelt. Das sehr umweltfreundliche, patentierte Verfahren wird nunin den USA durch die Ausgründung ArtemiFlow zur industriellen Anwendung entwickelt.

2018

  • Dünne Molekülschichten – Multitalente mit vielfältigen Funktionen

    2018 Schneck, Emanuel

    Dünne Molekülschichten wie zum Beispiel biologische Lipidmembranen erfüllen in der Natur vielfältige Funktionen. Aber auch in der Technologie und Biotechnologie spielen Molekülschichten eine wichtige Rolle, etwa zur Verbesserung der Verträglichkeit von Fremdkörperoberflächen oder zur Reduktion von Reibungskräften. Die Abteilung Biomaterialien untersucht mithilfe moderner Röntgen- und Neutronenstreumethoden die Struktur solcher Molekülschichten, um Einblicke in deren Funktionsweise zu erlangen.

  • Malaria- und Krebswirkstoffe aus Pflanzenabfall, Licht und Luft

    2018 Seeberger, Peter H.

    Artemisinin, Grundlage der derzeit wirksamsten Malariawirkstoffe, wird aus dem einjährigen Beifuß (Artemisia annua) gewonnen. Die Aufreinigung ist aber ineffizient und teuer, so dass die Hälfte des Medikamentenmarktes mit wirkungslosen Fälschungen bedient wird. Wir haben ein umweltfreundliches Verfahren entwickelt, welches ein von der Pflanze produziertes Abfallprodukt mit Hilfe von durch Licht aktiviertemSauerstoff effizient zum Medikament umwandelt. Das sehr umweltfreundliche, patentierte Verfahren wird nunin den USA durch die Ausgründung ArtemiFlow zur industriellen Anwendung entwickelt.

2017

  • Mechanoresponsive Moleküle als Bausteine für intelligente Materialien

    2017 Blank, Kerstin G.

    Intelligente Materialien besitzen die Eigenschaft, einen externen Stimulus selbstständig in eine definierte Antwort umzuwandeln. Bisher existieren nur wenige Materialien, die eine mechanische Schädigung durch eine Änderung ihrer optischen Merkmale sichtbar machen oder Defekte selbst heilen können. Um diese Eigenschaften zu realisieren, sind mechanoresponsive Moleküle notwendig, die gezielt auf eine angelegte Kraft reagieren. Ziel der Forschung ist es, derartige Moleküle zu entwickeln, ihre Mechanismen zu verstehen und sie gezielt für die Entwicklung intelligenter Materialien einzusetzen.

  • Kontrollierte Bedingungen, kontrollierte Chemie

    2017 Gilmore, Kerry*; Pieber, Bartholomäus; Seeberger, Peter H.

    Die Effizienz der meisten chemischen Reaktionen hängt von der akkuraten Kontrolle sämtlicher Prozessparameter ab. Mit der Durchflusschemie lassen diese sich äußerst präzise kontrollieren, da dabei Reaktionsmischungen unter stabilen Bedingungen dünne Röhren durchlaufen. Auf dieser Basis lassen sich neue und effizientere Reaktionen entwickeln, die in Rundkolben nicht möglich sind. Der modulare Charakter dieser Technologie bereitet den Weg für neue Strategien zur Synthese von Strukturgrundgerüsten und ermöglicht dadurch die Herstellung verschiedenster Derivate in einem einzigen Reaktorsystem.

  • Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Membranen und Vesikeln

    2017 Agudo-Canalejo, Jaime; Lipowsky, Reinhard

    Nanopartikel sind kleine Teilchen mit Größen zwischen einem Millionstel und einem Tausendstel Millimeter. Dazu zählen natürliche Viren ebenso wie synthetische Wirkstoffträger, die zunehmend für medizinische Zwecke eingesetzt werden. Um in eine Zelle mittels Endozytose einzudringen, muss ein Nanopartikel zunächst an die Zellmembran binden. Die Membran spreitet dann über die Partikeloberfläche, bis sie das Teilchen vollständig umhüllt hat. Die entscheidenden Parameter, die diesen Prozess auf nanoskopischen Längenskalen kontrollieren, wurden erst kürzlich identifiziert.

  • Dünne Molekülschichten – Multitalente mit vielfältigen Funktionen

    2017 Schneck, Emanuel

    Dünne Molekülschichten wie zum Beispiel biologische Lipidmembranen erfüllen in der Natur vielfältige Funktionen. Aber auch in der Technologie und Biotechnologie spielen Molekülschichten eine wichtige Rolle, etwa zur Verbesserung der Verträglichkeit von Fremdkörperoberflächen oder zur Reduktion von Reibungskräften. Die Abteilung Biomaterialien untersucht mithilfe moderner Röntgen- und Neutronenstreumethoden die Struktur solcher Molekülschichten, um Einblicke in deren Funktionsweise zu erlangen.

2016

  • Bioraffinerie und nachhaltige Chemie: Neue Bausteine für die Kolloidchemie

    2016 Esposito, Davide; Antonietti, Markus

    Eine nachhaltige Erzeugung von Fein- oder Plattformchemikalien aus Biomasse ist wünschenswert, aber mit vielen Problemen verbunden. Die Biorefinery-Gruppe am Institut entwickelt daher neue Aufschlussverfahren, um Rohbiomasse in verschiedene Produktströme aufzutrennen. Es werden neue Katalysatorsysteme synthetisiert, welche die teilweise extremen Bedingungen sich umsetzender Biomasse intakt überstehen. Eine aus der Bioraffinerie entstehende Chance ist der Zugang zu unkonventionellen chemischen Bausteinen, der in der Materialwissenschaft neue funktionale Polymere und Kolloide ermöglichen könnte.

  • Metallische Verstärkung von Proteinen

    2016 Harrington, Matthew J.

    Lebende Organismen benutzen erstaunliche Strategien, um Materialien herzustellen, die sowohl leistungsstark als auch adaptiv sind. Einige Lösungen aus der Natur übertreffen sogar die Möglichkeiten der aktuellen Werkstofftechnologie. Metallkomplexe können in Biomaterialien auf Proteinbasis wichtige mechanische Funktionen übernehmen. So erhöhen sie die Zähigkeit, die Festigkeit und ergeben sogar die Fähigkeit zur intrinsischen Selbstheilung dieser Materialien. Auf Basis dieser neuen Erkenntnisse werden bioinspirierte Metallopolymere mit besonderer Leistungsfähigkeit entwickelt.

  • Kontrollierte Bedingungen, kontrollierte Chemie

    2016 Gilmore, Kerry*; Pieber, Bartholomäus; Seeberger, Peter H.

    Die Effizienz der meisten chemischen Reaktionen hängt von der akkuraten Kontrolle sämtlicher Prozessparameter ab. Mit der Durchflusschemie lassen diese sich äußerst präzise kontrollieren, da dabei Reaktionsmischungen unter stabilen Bedingungen dünne Röhren durchlaufen. Auf dieser Basis lassen sich neue und effizientere Reaktionen entwickeln, die in Rundkolben nicht möglich sind. Der modulare Charakter dieser Technologie bereitet den Weg für neue Strategien zur Synthese von Strukturgrundgerüsten und ermöglicht dadurch die Herstellung verschiedenster Derivate in einem einzigen Reaktorsystem.

  • Mechanoresponsive Moleküle als Bausteine für intelligente Materialien

    2016 Blank, Kerstin G.

    Intelligente Materialien besitzen die Eigenschaft, einen externen Stimulus selbstständig in eine definierte Antwort umzuwandeln. Bisher existieren nur wenige Materialien, die eine mechanische Schädigung durch eine Änderung ihrer optischen Merkmale sichtbar machen oder Defekte selbst heilen können. Um diese Eigenschaften zu realisieren, sind mechanoresponsive Moleküle notwendig, die gezielt auf eine angelegte Kraft reagieren. Ziel der Forschung ist es, derartige Moleküle zu entwickeln, ihre Mechanismen zu verstehen und sie gezielt für die Entwicklung intelligenter Materialien einzusetzen.

  • Wechselwirkung von Nanopartikeln mit Membranen und Vesikeln

    2016 Agudo-Canalejo, Jaime; Lipowsky, Reinhard

    Nanopartikel sind kleine Teilchen mit Größen zwischen einem Millionstel und einem Tausendstel Millimeter. Dazu zählen natürliche Viren ebenso wie synthetische Wirkstoffträger, die zunehmend für medizinische Zwecke eingesetzt werden. Um in eine Zelle mittels Endozytose einzudringen, muss ein Nanopartikel zunächst an die Zellmembran binden. Die Membran spreitet dann über die Partikeloberfläche, bis sie das Teilchen vollständig umhüllt hat. Die entscheidenden Parameter, die diesen Prozess auf nanoskopischen Längenskalen kontrollieren, wurden erst kürzlich identifiziert.

2015

  • Mehrskalen-Modellierung von Polysacchariden und Polysaccharidmaterialien

    2015

    Grafmüller, Andrea

    Biomoleküle stellen eine große Herausforderung für die Modellierung dar, da sie unterschiedliche inhärente Skalen besitzen. Kleinste Veränderungen der Molekülbausteine haben große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. So zeigen z. B. natürliche Polysaccharide, die aus wenigen einfachen Zuckerbausteinen bestehen, außergewöhnliche Materialeigenschaften. Diese hängen von der räumlichen Anordnung der Zuckerbausteine ab. Geeignete Modelle müssen eine atomistische Beschreibung mit vergröberten Darstellungen kombinieren, die möglichst viele Charakteristika des hochaufgelösten Systems erhalten.

  • Chemische Synthese zum Entschlüsseln der biologischen Funktionen von Glykosylphosphatidylinositolen (GPIs)

    2015 Varón Silva, Daniel

    Diverse eukaryotische Proteine sind durch Glykosylphosphatidylinositole (GPIs) in der Zellmembran verankert und erfüllen unterschiedliche, essentielle biologische Funktionen. Bisher ist wenig über die Funktionen des GPI-Ankers bekannt. Mithilfe synthetischer Methoden ist es nun jedoch möglich, diese Moleküle in reiner Form herzustellen und Erkenntnisse über ihre biologischen Eigenschaften zu gewinnen. Synthetische GPIs ermöglichen eine Differentialdiagnose von akuter und latenter Toxoplasmose und eröffnen damit auch neue Wege für die Diagnose und Behandlung anderer Krankheiten. 

  • Bioraffinerie und nachhaltige Chemie: Neue Bausteine für die Kolloidchemie

    2015 Esposito, Davide; Antonietti, Markus

    Eine nachhaltige Erzeugung von Fein- oder Plattformchemikalien aus Biomasse ist wünschenswert, aber mit vielen Problemen verbunden. Die Biorefinery-Gruppe am Institut entwickelt daher neue Aufschlussverfahren, um Rohbiomasse in verschiedene Produktströme aufzutrennen. Es werden neue Katalysatorsysteme synthetisiert, welche die teilweise extremen Bedingungen sich umsetzender Biomasse intakt überstehen. Eine aus der Bioraffinerie entstehende Chance ist der Zugang zu unkonventionellen chemischen Bausteinen, der in der Materialwissenschaft neue funktionale Polymere und Kolloide ermöglichen könnte.

  • Metallische Verstärkung von Proteinen

    2015 Harrington, Matthew J.

    Lebende Organismen benutzen erstaunliche Strategien, um Materialien herzustellen, die sowohl leistungsstark als auch adaptiv sind. Einige Lösungen aus der Natur übertreffen sogar die Möglichkeiten der aktuellen Werkstofftechnologie. Metallkomplexe können in Biomaterialien auf Proteinbasis wichtige mechanische Funktionen übernehmen. So erhöhen sie die Zähigkeit, die Festigkeit und ergeben sogar die Fähigkeit zur intrinsischen Selbstheilung dieser Materialien. Auf Basis dieser neuen Erkenntnisse werden bioinspirierte Metallopolymere mit besonderer Leistungsfähigkeit entwickelt.

2014

  • Von antibakteriellen Beschichtungen zu Implantaten

    2014 Skorb, Ekaterina V.; Möhwald, Helmuth
    Einfache, in Flüssigkeiten anwendbare Methoden ermöglichen die Herstellung von Oberflächen mit definierter Porosität. Die Prozesse erlauben den Einbau von Wirkstoffen in die Grenzfläche und mit geeigneter Beschichtung auch die gezielte Freisetzung. Auf diese Weise kann der Kontakt zwischen der Grenzfläche und benachbarten Zellen maßgeschneidert werden. Bei vielversprechenden sehr harten Materialien für Implantate wie Titan ist es daher möglich, das Wachstum von Osteoblasten, den häufigsten Zellen in Knochen, zu stimulieren.
  • Synthetische Polypeptide und Peptoide als bioinspirierte, responsive Funktionsmaterialien

    2014 Schlaad, Helmut

    Bioinspirierte Poly(aminosäuren) mit responsiven/schaltbaren Eigenschaften und der Fähigkeit, biologische Systeme (Proteine) erkennen und selektiv binden zu können, sind mit optimierten Methoden der synthetischen Polymerchemie verhältnismäßig einfach und in größeren Mengen zugänglich. Partiell glukosylierte Polyglutamate und Poly(N-alkylglycine) sind potentielle „intelligente“ Polymere für Anwendungen im biomedizinischen Bereich, etwa in der therapeutischen oder regenerativen Medizin oder der Diagnostik, und eignen sich zur Herstellung von hierarchischen Strukturen.

  • Mehrskalen-Modellierung von Polysacchariden und Polysaccharidmaterialien

    2014

    Grafmüller, Andrea

    Biomoleküle stellen eine große Herausforderung für die Modellierung dar, da sie unterschiedliche inhärente Skalen besitzen. Kleinste Veränderungen der Molekülbausteine haben große Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. So zeigen z. B. natürliche Polysaccharide, die aus wenigen einfachen Zuckerbausteinen bestehen, außergewöhnliche Materialeigenschaften. Diese hängen von der räumlichen Anordnung der Zuckerbausteine ab. Geeignete Modelle müssen eine atomistische Beschreibung mit vergröberten Darstellungen kombinieren, die möglichst viele Charakteristika des hochaufgelösten Systems erhalten.

  • Chemische Synthese zum Entschlüsseln der biologischen Funktionen von Glykosylphosphatidylinositolen (GPIs)

    2014 Varón Silva, Daniel

    Diverse eukaryotische Proteine sind durch Glykosylphosphatidylinositole (GPIs) in der Zellmembran verankert und erfüllen unterschiedliche, essentielle biologische Funktionen. Bisher ist wenig über die Funktionen des GPI-Ankers bekannt. Mithilfe synthetischer Methoden ist es nun jedoch möglich, diese Moleküle in reiner Form herzustellen und Erkenntnisse über ihre biologischen Eigenschaften zu gewinnen. Synthetische GPIs ermöglichen eine Differentialdiagnose von akuter und latenter Toxoplasmose und eröffnen damit auch neue Wege für die Diagnose und Behandlung anderer Krankheiten. 

2013

  • Mit Computern den Zuckercode interpretieren

    2013 Santer, Mark
    In jedem Organismus steuern und regulieren Zuckerverbindungen als Bausteine vieler Zellbestandteile inter- und intrazelluläre Prozesse. Um die zahlreichen Aufgaben der Glycolisierung in vollem Umfang zu charakterisieren, gewinnen Computermodelle immer mehr an Bedeutung. Am Beispiel des Glycosylphophatidylinositol-Ankers zeigt sich, dass es vor allem gilt, die klassische molekulare Strukturanalyse mit vergröberten Darstellungen sinnvoll zu verbinden. Nur so können auch wichtige unspezifische Funktionen aufgedeckt werden.
  • Wachstum von Knochengewebe unter natürlichen und künstlichen Bedingungen: Geometrie, Struktur und Materialeigenschaften

    2013 Dunlop, John; Wagermaier, Wolfgang
    Das Verständnis von Struktur und Eigenschaften von Knochen ist wichtig um Krankheiten, wie z. B. Osteoporose  beurteilen zu können. Materialwissenschaftliche Untersuchungen können zu einer kritischen Bewertung von aktuellen Therapien bzw. zu gezielten therapeutischen Neuentwicklungen beitragen. Knochen ist ein komplex aufgebautes, hierarchisch strukturiertes Material mit bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften. Grundbausteine sind immer mineralisierte Kollagenfibrillen. Die Beschreibung von Wachstum, Struktur und Eigenschaften dieses Materials hilft klinische Fragestellungen zu beantworten.
  • Synthetische Polypeptide und Peptoide als bioinspirierte, responsive Funktionsmaterialien

    2013 Schlaad, Helmut

    Bioinspirierte Poly(aminosäuren) mit responsiven/schaltbaren Eigenschaften und der Fähigkeit, biologische Systeme (Proteine) erkennen und selektiv binden zu können, sind mit optimierten Methoden der synthetischen Polymerchemie verhältnismäßig einfach und in größeren Mengen zugänglich. Partiell glukosylierte Polyglutamate und Poly(N-alkylglycine) sind potentielle „intelligente“ Polymere für Anwendungen im biomedizinischen Bereich, etwa in der therapeutischen oder regenerativen Medizin oder der Diagnostik, und eignen sich zur Herstellung von hierarchischen Strukturen.

  • Von antibakteriellen Beschichtungen zu Implantaten

    2013 Skorb, Ekaterina V.; Möhwald, Helmuth
    Einfache, in Flüssigkeiten anwendbare Methoden ermöglichen die Herstellung von Oberflächen mit definierter Porosität. Die Prozesse erlauben den Einbau von Wirkstoffen in die Grenzfläche und mit geeigneter Beschichtung auch die gezielte Freisetzung. Auf diese Weise kann der Kontakt zwischen der Grenzfläche und benachbarten Zellen maßgeschneidert werden. Bei vielversprechenden sehr harten Materialien für Implantate wie Titan ist es daher möglich, das Wachstum von Osteoblasten, den häufigsten Zellen in Knochen, zu stimulieren.

2012

  • Effiziente Synthese des Malariawirkstoffs Artemisinin im kontinuierlichen Mikroreaktor

    2012 Kopetzki, Daniel
    Malaria ist ein globales Gesundheitsproblem, an dem fast eine Million Menschen pro Jahr sterben. Als Therapie erster Wahl werden Artemisinin-Kombinationspräparate angesehen. Deren Angebot ist allerdings begrenzt, da Artemisinin zurzeit ausschließlich durch pflanzliche Extraktion gewonnen wird. Die Vorläuferverbindung Dihydroartemisininsäure kann dagegen biotechnologisch hergestellt werden. Es wurde ein kontinuierliches Verfahren entwickelt, mit dem sich aus dieser Verbindung, sowie Sauerstoff und Licht, Artemisinin in hoher Ausbeute produzieren lässt.
  • Grenzflächeneinflüsse auf Phasenübergänge und Transporteigenschaften in dünnen Filmen

    2012 Riegler, Hans
    Grenzflächeneigenschaften beeinflussen das Phasenübergangsverhalten und oft die molekulare Struktur von Volumensystemen. Bei Nanopartikeln oder molekular dünnen Filmen ist dies offensichtlich. Der Anteil grenzflächennaher Moleküle ist groß. Jedoch sind Grenzflächeneinflüsse oft auch für makroskopische Systeme wichtig, da diese meist aus nanoskopischen Aggregaten entstehen. Systeme wachsen auch immer an Grenzflächen. Damit beeinflussen die grenzflächennahen Transportbedingungen die Wachstumskinetik und damit auch die Struktur und die Eigenschaften der resultierenden makroskopischen Einheiten.
  • Süße Polymere für die Medizin

    2012 Hartmann, Laura
    Synthetische Zucker sind von großem Interesse bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe. Chemiker sind daher auf der Suche nach Molekülen mit den gleichen Eigenschaften wie Zuckern, die aber einfacher und schneller herzustellen sind. Eine wichtige Klasse solcher Mimetika sind Zuckerpolymere, eine Kombination aus Polymerketten und Zuckern. Um zu verstehen, wie ein Zuckerpolymer die natürliche Aktivität des Zuckers imitiert und wie man bessere Zuckerpolymere herstellen kann, werden am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung neuartige einheitliche Polymere hergestellt und untersucht.
  • Mit Computern den Zuckercode interpretieren

    2012 Santer, Mark
    In jedem Organismus steuern und regulieren Zuckerverbindungen als Bausteine vieler Zellbestandteile inter- und intrazelluläre Prozesse. Um die zahlreichen Aufgaben der Glycolisierung in vollem Umfang zu charakterisieren, gewinnen Computermodelle immer mehr an Bedeutung. Am Beispiel des Glycosylphophatidylinositol-Ankers zeigt sich, dass es vor allem gilt, die klassische molekulare Strukturanalyse mit vergröberten Darstellungen sinnvoll zu verbinden. Nur so können auch wichtige unspezifische Funktionen aufgedeckt werden.
  • Wachstum von Knochengewebe unter natürlichen und künstlichen Bedingungen: Geometrie, Struktur und Materialeigenschaften

    2012 Dunlop, John; Wagermaier, Wolfgang
    Das Verständnis von Struktur und Eigenschaften von Knochen ist wichtig um Krankheiten, wie z. B. Osteoporose  beurteilen zu können. Materialwissenschaftliche Untersuchungen können zu einer kritischen Bewertung von aktuellen Therapien bzw. zu gezielten therapeutischen Neuentwicklungen beitragen. Knochen ist ein komplex aufgebautes, hierarchisch strukturiertes Material mit bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften. Grundbausteine sind immer mineralisierte Kollagenfibrillen. Die Beschreibung von Wachstum, Struktur und Eigenschaften dieses Materials hilft klinische Fragestellungen zu beantworten.

2011

  • Bioorganisch-synthetische Polymere als bioinspirierte Struktur- und Funktionsmaterialien

    2011 Schlaad, Helmut
    Bioorganisch-synthetische Polymere können mit modernen Methoden der metallfreien Polymersynthese und Modifikation verhältnismäßig einfach und in größeren Mengen hergestellt werden. Polymere auf der Basis von Polypeptiden und Zuckern bilden, nach Vorbildern aus der Natur, „intelligente“ biofunktionale Membranen als auch hierarchische Strukturen aus. Gegenwärtige Forschungen beschäftigen sich mit den der bioinspirierten Strukturbildung zugrunde liegenden Mechanismen, allerdings immer mit Blick auf mögliche Anwendungen in der Biomedizin und in den Materialwissenschaften.
  • Designprinzipien und Ökonomie zellulärer Informationsverarbeitung

    2011 Klumpp, Stefan
    Natürliche und synthetische genetische Schaltkreise sind immer an den physiologischen Zustand der Zelle, in der sie sich befinden, gekoppelt. Zum Beispiel hängen die Konzentrationen der RNA-Polymerasen und Ribosomen, die für das Auslesen der genetischen Information zur Verfügung stehen, von der Wachstumsrate der Zelle ab. Theoretische Untersuchungen können helfen, die Kopplung von Regulationsmechanismen und Wachstum aufzuklären und Prinzipen zu finden, die dem effizienten Einsatz molekularer Maschinen zugrunde liegen.
  • Effiziente Synthese des Malariawirkstoffs Artemisinin im kontinuierlichen Mikroreaktor

    2011 Kopetzki, Daniel
    Malaria ist ein globales Gesundheitsproblem, an dem fast eine Million Menschen pro Jahr sterben. Als Therapie erster Wahl werden Artemisinin-Kombinationspräparate angesehen. Deren Angebot ist allerdings begrenzt, da Artemisinin zurzeit ausschließlich durch pflanzliche Extraktion gewonnen wird. Die Vorläuferverbindung Dihydroartemisininsäure kann dagegen biotechnologisch hergestellt werden. Es wurde ein kontinuierliches Verfahren entwickelt, mit dem sich aus dieser Verbindung, sowie Sauerstoff und Licht, Artemisinin in hoher Ausbeute produzieren lässt.
  • Grenzflächeneinflüsse auf Phasenübergänge und Transporteigenschaften in dünnen Filmen

    2011 Riegler, Hans
    Grenzflächeneigenschaften beeinflussen das Phasenübergangsverhalten und oft die molekulare Struktur von Volumensystemen. Bei Nanopartikeln oder molekular dünnen Filmen ist dies offensichtlich. Der Anteil grenzflächennaher Moleküle ist groß. Jedoch sind Grenzflächeneinflüsse oft auch für makroskopische Systeme wichtig, da diese meist aus nanoskopischen Aggregaten entstehen. Systeme wachsen auch immer an Grenzflächen. Damit beeinflussen die grenzflächennahen Transportbedingungen die Wachstumskinetik und damit auch die Struktur und die Eigenschaften der resultierenden makroskopischen Einheiten.
  • Süße Polymere für die Medizin

    2011 Hartmann, Laura
    Synthetische Zucker sind von großem Interesse bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe. Chemiker sind daher auf der Suche nach Molekülen mit den gleichen Eigenschaften wie Zuckern, die aber einfacher und schneller herzustellen sind. Eine wichtige Klasse solcher Mimetika sind Zuckerpolymere, eine Kombination aus Polymerketten und Zuckern. Um zu verstehen, wie ein Zuckerpolymer die natürliche Aktivität des Zuckers imitiert und wie man bessere Zuckerpolymere herstellen kann, werden am MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung neuartige einheitliche Polymere hergestellt und untersucht.

2010

  • Automatisierte chemische Synthese von Kohlenhydraten

    2010 Seeberger, Peter H.; Kamena, Faustin; Lepenies, Bernd; Hartmann, Laura
    Kohlenhydrate sind komplexe Moleküle, deren Herstellung eine echte Herausforderung für den synthetischen Chemiker darstellt. Diese Tatsache ist ein Hauptgrund, dass diese wichtigen Biomoleküle, im Vergleich zu anderen Biomolekülen wie Nukleinsäuren und Peptiden, deutlich weniger untersucht wurden. In dem vorliegenden Beitrag werden die automatisierte chemische Synthese von Zuckermolekülen sowie ihre Bedeutung und ihr Anwendungsbereich in der gesamten Glykoforschung diskutiert.
  • Von der bio- zur anorganischen Mineralisation von Magnetit

    2010 Faivre, Damien
    Magnetische Nanopartikel sind Schlüsselkomponenten in vielen neuartigen bio- und nanotechnologischen Anwendungen. Diese erfordern einheitliche Partikelgrößen, die durch chemische Prozesse bislang nicht hergestellt werden können. Magnetotaktische Bakterien haben hingegen die Eigenschaft, „perfekte Partikel“ unter physiologischen Bedingungen erschaffen zu können. Die Rolle einzelner biologischer Komponenten bezüglich ihres Einflusses auf die Eigenschaften biologischer Magnete wurde untersucht. Es wurde dabei gezeigt, dass das Protein Mms6 die Partikelgröße in vitro spezifisch kontrollieren kann.
  • Bioorganisch-synthetische Polymere als bioinspirierte Struktur- und Funktionsmaterialien

    2010 Schlaad, Helmut
    Bioorganisch-synthetische Polymere können mit modernen Methoden der metallfreien Polymersynthese und Modifikation verhältnismäßig einfach und in größeren Mengen hergestellt werden. Polymere auf der Basis von Polypeptiden und Zuckern bilden, nach Vorbildern aus der Natur, „intelligente“ biofunktionale Membranen als auch hierarchische Strukturen aus. Gegenwärtige Forschungen beschäftigen sich mit den der bioinspirierten Strukturbildung zugrunde liegenden Mechanismen, allerdings immer mit Blick auf mögliche Anwendungen in der Biomedizin und in den Materialwissenschaften.
  • Designprinzipien und Ökonomie zellulärer Informationsverarbeitung

    2010 Klumpp, Stefan
    Natürliche und synthetische genetische Schaltkreise sind immer an den physiologischen Zustand der Zelle, in der sie sich befinden, gekoppelt. Zum Beispiel hängen die Konzentrationen der RNA-Polymerasen und Ribosomen, die für das Auslesen der genetischen Information zur Verfügung stehen, von der Wachstumsrate der Zelle ab. Theoretische Untersuchungen können helfen, die Kopplung von Regulationsmechanismen und Wachstum aufzuklären und Prinzipen zu finden, die dem effizienten Einsatz molekularer Maschinen zugrunde liegen.

2009

  • Charakterisierung komplexer Nanomaterialien mit Synchrotron-Röntgenbeugung

    2009 Paris, Oskar
    Moderne Röntgenbeugungsmethoden können unter Einsatz von Mikrofokus-Synchrotronstrahlung die hierarchische Struktur biologischer Materialien auf verschiedenen Längenskalen abbilden und beschreiben. In-situ-Beugungsexperimente ermöglichen außerdem die Untersuchung von Materialien und deren nanostrukturelle Änderungen aufgrund äußerer Einflüsse wie mechanische Verformung oder Änderung der Feuchte. Vorgestellt wird ein neuentwickeltes Instrument der Max-Planck-Gesellschaft an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin, an dem solche Experimente mit hoher Auflösung möglich sind.
  • Strukturentstehung und -änderung bei Faltung und Funktion von Proteinen

    2009 Weikl, Thomas
    Die Sequenz eines Proteins bestimmt, in welche dreidimensionale Struktur es faltet. Die Struktur des Proteins wiederum ermöglicht seine biologische Funktion. Bei vielen Proteinen erfordert die Ausübung dieser Funktion dynamische Änderungen und Anpassungen der dreidimensionalen Struktur. Die funktionsbedingten Strukturänderungen des Proteins und die Strukturentstehung bei der Faltung können experimentell nicht direkt beobachtet werden. Im Zusammenspiel mit theoretischen Modellierungen ermöglichen Mutationen eines Proteins jedoch einen indirekten Zugang zu diesen dynamischen Prozessen.
  • Automatisierte chemische Synthese von Kohlenhydraten

    2009 Seeberger, Peter H.; Kamena, Faustin; Lepenies, Bernd; Hartmann, Laura
    Kohlenhydrate sind komplexe Moleküle, deren Herstellung eine echte Herausforderung für den synthetischen Chemiker darstellt. Diese Tatsache ist ein Hauptgrund, dass diese wichtigen Biomoleküle, im Vergleich zu anderen Biomolekülen wie Nukleinsäuren und Peptiden, deutlich weniger untersucht wurden. In dem vorliegenden Beitrag werden die automatisierte chemische Synthese von Zuckermolekülen sowie ihre Bedeutung und ihr Anwendungsbereich in der gesamten Glykoforschung diskutiert.
  • Von der bio- zur anorganischen Mineralisation von Magnetit

    2009 Faivre, Damien
    Magnetische Nanopartikel sind Schlüsselkomponenten in vielen neuartigen bio- und nanotechnologischen Anwendungen. Diese erfordern einheitliche Partikelgrößen, die durch chemische Prozesse bislang nicht hergestellt werden können. Magnetotaktische Bakterien haben hingegen die Eigenschaft, „perfekte Partikel“ unter physiologischen Bedingungen erschaffen zu können. Die Rolle einzelner biologischer Komponenten bezüglich ihres Einflusses auf die Eigenschaften biologischer Magnete wurde untersucht. Es wurde dabei gezeigt, dass das Protein Mms6 die Partikelgröße in vitro spezifisch kontrollieren kann.

2008

  • Mesoporöse Polymere, Kohlenstoff-Materialien und -Nitride

    2008 Antonietti, Markus; Thomas, Arne
    Durch die gezielte Gestaltung von Poren und Hohlraumstrukturen in „weichen Materialien“ wie Polymeren, Kohlenstoffen oder Kohlenstoffnitriden entstehen neue chemische Systeme mit neuen Eigenschaften. In dieser kurzen Übersicht werden Phänomene wie metallfreie heterogene Katalyse, Membranen für die Brennstoffzelle, polymere Niederdruck-Gasspeicher, aber auch nachhaltige Syntheseverfahren wie die hydrothermale Carbonisierung zur Herstellung von Sorptionskohlen diskutiert.
  • Peptide an Grenzflächen

    2008 Brezesinski, Gerald; Möhwald, Helmuth
    Die Charakterisierung molekularer Mechanismen der Wechselwirkung von Peptiden mit Zellmembranen ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von Struktur-Funktionsbeziehungen. Diese werden an 2-dimensionalen Monoschichten an einer fluiden Grenzfläche mittels moderner biophysikalischer Methoden untersucht. Dieser Bericht zeigt, wie die Sekundärstruktur amphiphiler Peptide durch die Grenzfläche gesteuert wird und wie die Peptide die Struktur von Phospholipidschichten modifizieren können.
  • Charakterisierung komplexer Nanomaterialien mit Synchrotron-Röntgenbeugung

    2008 Paris, Oskar
    Moderne Röntgenbeugungsmethoden können unter Einsatz von Mikrofokus-Synchrotronstrahlung die hierarchische Struktur biologischer Materialien auf verschiedenen Längenskalen abbilden und beschreiben. In-situ-Beugungsexperimente ermöglichen außerdem die Untersuchung von Materialien und deren nanostrukturelle Änderungen aufgrund äußerer Einflüsse wie mechanische Verformung oder Änderung der Feuchte. Vorgestellt wird ein neuentwickeltes Instrument der Max-Planck-Gesellschaft an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin, an dem solche Experimente mit hoher Auflösung möglich sind.
  • Strukturentstehung und -änderung bei Faltung und Funktion von Proteinen

    2008 Weikl, Thomas
    Die Sequenz eines Proteins bestimmt, in welche dreidimensionale Struktur es faltet. Die Struktur des Proteins wiederum ermöglicht seine biologische Funktion. Bei vielen Proteinen erfordert die Ausübung dieser Funktion dynamische Änderungen und Anpassungen der dreidimensionalen Struktur. Die funktionsbedingten Strukturänderungen des Proteins und die Strukturentstehung bei der Faltung können experimentell nicht direkt beobachtet werden. Im Zusammenspiel mit theoretischen Modellierungen ermöglichen Mutationen eines Proteins jedoch einen indirekten Zugang zu diesen dynamischen Prozessen.

2007

  • Semiflexible Polymere und Filamente: Vom einzelnen Polymer zur aktiven biologischen Struktur

    2007 Kierfeld, Jan
    In Biologie und Chemie gibt es zahlreiche semiflexible Polymere, die sich durch eine hohe Biegesteifigkeit auszeichnen, z.B. die Filamente, die das Skelett von Zellen bilden und einzigartige Materialeigenschaften besitzen, die für biologische Strukturen relevant sind. Es werden theoretische Modelle vorgestellt für einzelne semiflexible Polymere unter Krafteinwirkung, für Filamentbündel und „aktive“ Filamente, die von Motorproteinen angetrieben werden.
  • Über das mechanische Design der Holzzellwand

    2007 Burgert, Ingo
    Biologische Materialien dienen insbesondere aufgrund ihres Leichtbaus und ihrer Adaptivität als Vorbild für neuartige technische Werkstoffe. Ein erster und fundamentaler Schritt in diesem „biomimetischen“ Prozess ist das Verständnis der zugrunde liegenden Struktur-Funktionsbeziehungen. Bäume sind hervorragende Objekte für diese Studien, da ihre „Konstruktionen“ mehrere tausend Jahre alt und bis zu hundert Meter groß werden können. Der vorliegende Tätigkeitsbericht gibt einen Einblick in aktuelle Forschungsergebnisse zum mechanischen Design der Holzzellwand und zeigt, wie effektiv Bäume die strukturelle Organisation der Zellwand zur Steuerung von mechanischen Eigenschaften nutzen.
  • Mesoporöse Polymere, Kohlenstoff-Materialien und -Nitride

    2007 Antonietti, Markus; Thomas, Arne
    Durch die gezielte Gestaltung von Poren und Hohlraumstrukturen in „weichen Materialien“ wie Polymeren, Kohlenstoffen oder Kohlenstoffnitriden entstehen neue chemische Systeme mit neuen Eigenschaften. In dieser kurzen Übersicht werden Phänomene wie metallfreie heterogene Katalyse, Membranen für die Brennstoffzelle, polymere Niederdruck-Gasspeicher, aber auch nachhaltige Syntheseverfahren wie die hydrothermale Carbonisierung zur Herstellung von Sorptionskohlen diskutiert.
  • Peptide an Grenzflächen

    2007 Brezesinski, Gerald; Möhwald, Helmuth
    Die Charakterisierung molekularer Mechanismen der Wechselwirkung von Peptiden mit Zellmembranen ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von Struktur-Funktionsbeziehungen. Diese werden an 2-dimensionalen Monoschichten an einer fluiden Grenzfläche mittels moderner biophysikalischer Methoden untersucht. Dieser Bericht zeigt, wie die Sekundärstruktur amphiphiler Peptide durch die Grenzfläche gesteuert wird und wie die Peptide die Struktur von Phospholipidschichten modifizieren können.

2006

  • Kontrollierte Synthese von Anorganischen Nanomaterialien durch Organische Reaktionen

    2006 Niederberger, Markus; Antonietti, Markus
    Nanopartikel spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Materialien und Devices. Das liegt daran, dass bei Partikeln im Größenbereich von einigen Nanometern die chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig signifikante Unterschiede gegenüber dem grobkörnigen Festkörper aufweisen. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Metalloxiden in der Katalyse, Sensorik, Energiespeicherung und -umwandlung, Optik und Elektronik rückten diese Stoffklasse ins Zentrum des Interesses von Materialwissenschaftlern. Um jedoch Metalloxide in Form von Nanopartikeln mit definierter Form, Größe und Kristallinität zu erhalten, sind die traditionellen Synthesewege kaum geeignet, und es müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Vergleich zur komplexen und schwer zu kontrollierenden wässrigen Chemie bietet die Synthese von Metalloxid-Nanopartikeln in organischen Lösungsmitteln die Möglichkeit, Reaktionsabläufe auf molekularer Ebene zu verstehen und damit auch zu steuern, sodass ein rationales Synthesedesign für anorganische Nanopartikel in Reichweite rückt.
  • Ionenverteilung und Schaumstabilität

    2006 Motschmann, Hubert
    Amphiphile Moleküle vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente, eine hydrophile Kopf- und eine hydrophobe Schwanzgruppe. Aufgrund dieser molekularen Asymmetrie adsorbieren wasserlösliche Amphiphile an der Wasser-Luft- oder Wasser-Öl-Grenzfläche. Die Adsorptionsschicht reduziert dabei die Grenzflächenspannung und verändert die Grenzflächenrheologie. Amphiphile werden als Modellsystem genutzt, um grundlegende Wechselwirkungen wie die Ionenverteilung an einer geladenen Grenzfläche zu studieren. Weiterhin versuchen wir, einen Zusammenhang zwischen den molekularen und beobachteten makroskopischen Parametern herzustellen. Adsorptionsschichten löslicher Amphiphile ermöglichen Phänomene wie Schäume oder Emulsionen. Die Stabilität dieser Objekte wird durch die Grenzflächenrheologie bestimmt. In den letzten Jahren wurden neue Verfahren zur Messung der relevanten Größen entwickelt. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Grenzflächendynamik.
  • Semiflexible Polymere und Filamente: Vom einzelnen Polymer zur aktiven biologischen Struktur

    2006 Kierfeld, Jan
    In Biologie und Chemie gibt es zahlreiche semiflexible Polymere, die sich durch eine hohe Biegesteifigkeit auszeichnen, z.B. die Filamente, die das Skelett von Zellen bilden und einzigartige Materialeigenschaften besitzen, die für biologische Strukturen relevant sind. Es werden theoretische Modelle vorgestellt für einzelne semiflexible Polymere unter Krafteinwirkung, für Filamentbündel und „aktive“ Filamente, die von Motorproteinen angetrieben werden.
  • Über das mechanische Design der Holzzellwand

    2006 Burgert, Ingo
    Biologische Materialien dienen insbesondere aufgrund ihres Leichtbaus und ihrer Adaptivität als Vorbild für neuartige technische Werkstoffe. Ein erster und fundamentaler Schritt in diesem „biomimetischen“ Prozess ist das Verständnis der zugrunde liegenden Struktur-Funktionsbeziehungen. Bäume sind hervorragende Objekte für diese Studien, da ihre „Konstruktionen“ mehrere tausend Jahre alt und bis zu hundert Meter groß werden können. Der vorliegende Tätigkeitsbericht gibt einen Einblick in aktuelle Forschungsergebnisse zum mechanischen Design der Holzzellwand und zeigt, wie effektiv Bäume die strukturelle Organisation der Zellwand zur Steuerung von mechanischen Eigenschaften nutzen.

2005

  • Biomimetische Nanostrukturen und -Prozesse: Computersimulation als bildgebendes Verfahren

    2005 Shillcock, Julian; Lipowsky, Reinhard
    Biomimetische Systeme mit maßgeschneiderten Eigenschaften haben eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, etwa als Wirkstoffträger oder als Biosensoren. Die Konstruktion derartiger Systeme erfordert ein genaues Verständnis der zu Grunde liegenden Nanostrukturen und -prozesse. Diese Strukturen sind oft nur einige Nanometer dick und deshalb sehr flexibel und beweglich. Da es keine experimentelle Methode gibt, mit der man die Dynamik derartiger Nanostrukturen direkt abbilden könnte, bieten sich Computersimulationen als bildgebende Verfahren an. Eine besonders leistungsfähige Simulationsmethode ist die Dissipative-Partikel-Dynamik, die man einsetzen kann, um supramolekulare Systeme mit einer Lineardimension von 50 Nanometern über einen Zeitraum von mehreren Mikrosekunden zu beobachten. In diesem Beitrag werden drei Beispiele für derartige Systeme diskutiert: Lipidmembranen, die mehrere Komponenten enthalten und verschiedene Domänen ausbilden; Vesikel aus Diblock-Copolymeren, die als Wirkstoffträger interessant sind; sowie die Spannungs-induzierte Fusion von Doppelschicht-Membranen. Die Simulations-Methode der Dissipativen-Partikel-Dynamik kann zur Optimierung von Nanostrukturen und -prozessen eingesetzt werden, bevor man kostspielige experimentelle Versuchsreihen durchführt.
  • Der Umbauprozess im trabekulären Knochen

    2005 Weinkamer, Richard
    Lebender Knochen wird laufend durch An- und Abbau kleiner Knochenpakete erneuert. Dieser Umbauprozess wird nach mechanischen Prinzipien über einen Regelkreis kontrolliert. Dadurch besitzt Knochen die Fähigkeit sich ändernden mechanischen Anforderungen anzupassen. Da sich Experimente äußerst schwierig gestalten, wird dieser Regelkreis mithilfe von Computermodellen intensiv studiert. Die Simulationen erlauben es, Entwicklungen in der Knochenstruktur durch Alterung von krankhaften Veränderungen zu unterscheiden. Über ein detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Regelkreis und resultierender Knochenstruktur besteht die Hoffnung, Knochenerkrankungen näher „an ihrer Wurzel packen“ und therapieren zu können.
  • Ionenverteilung und Schaumstabilität

    2005 Motschmann, Hubert
    Amphiphile Moleküle vereinen zwei gegensätzliche Strukturelemente, eine hydrophile Kopf- und eine hydrophobe Schwanzgruppe. Aufgrund dieser molekularen Asymmetrie adsorbieren wasserlösliche Amphiphile an der Wasser-Luft- oder Wasser-Öl-Grenzfläche. Die Adsorptionsschicht reduziert dabei die Grenzflächenspannung und verändert die Grenzflächenrheologie. Amphiphile werden als Modellsystem genutzt, um grundlegende Wechselwirkungen wie die Ionenverteilung an einer geladenen Grenzfläche zu studieren. Weiterhin versuchen wir, einen Zusammenhang zwischen den molekularen und beobachteten makroskopischen Parametern herzustellen. Adsorptionsschichten löslicher Amphiphile ermöglichen Phänomene wie Schäume oder Emulsionen. Die Stabilität dieser Objekte wird durch die Grenzflächenrheologie bestimmt. In den letzten Jahren wurden neue Verfahren zur Messung der relevanten Größen entwickelt. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Grenzflächendynamik.
  • Kontrollierte Synthese von Anorganischen Nanomaterialien durch Organische Reaktionen

    2005 Niederberger, Markus; Antonietti, Markus
    Nanopartikel spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung neuer Materialien und Devices. Das liegt daran, dass bei Partikeln im Größenbereich von einigen Nanometern die chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig signifikante Unterschiede gegenüber dem grobkörnigen Festkörper aufweisen. Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Metalloxiden in der Katalyse, Sensorik, Energiespeicherung und -umwandlung, Optik und Elektronik rückten diese Stoffklasse ins Zentrum des Interesses von Materialwissenschaftlern. Um jedoch Metalloxide in Form von Nanopartikeln mit definierter Form, Größe und Kristallinität zu erhalten, sind die traditionellen Synthesewege kaum geeignet, und es müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Vergleich zur komplexen und schwer zu kontrollierenden wässrigen Chemie bietet die Synthese von Metalloxid-Nanopartikeln in organischen Lösungsmitteln die Möglichkeit, Reaktionsabläufe auf molekularer Ebene zu verstehen und damit auch zu steuern, sodass ein rationales Synthesedesign für anorganische Nanopartikel in Reichweite rückt.

2004

  • Nichtklassische Kristallisation

    2004 Cölfen, Helmut
    Die Untersuchung von Kristallisationsvorgängen ist eine klassische Fragestellung in der Wissenschaft. Kristalle sind aus Ionen oder Molekülen aufgebaut und haben eine kleinste Einheit, die so genannte Einheitszelle. Alle Kristallformen lassen sich aus dieser ableiten, d. h., "normale" Kristalle weisen definierte planare Flächen auf. In letzter Zeit hat die Untersuchung von Biomineralien (von lebenden Organismen gebildete Mineralien wie z. B. die Skelettgerüste von Algen) allerdings nahe gelegt, dass nicht alle Kristalle in das klassische Lehrbuchbild passen. Diese Kristalle weisen Formen mit komplexer Gestalt auf, die sogar untypische Rundungen beinhalten und damit von den planaren klassischen Kristallflächen abweichen. Des Weiteren sind Biomineralien meist hoch optimierte Verbundwerkstoffe wie z.B. Knochen, Zähne oder Muschelschalen. Dies wird durch Steuerung des Kristallisationsvorgangs durch strukturdirigierende Moleküle erreicht. Dabei werden diese Kristalle im Regelfall nicht nach den Prinzipien der klassischen Kristallisation gebildet, d.h. durch regelmäßige Anlagerung der Einzelbausteine (Ionen und Moleküle). Die Projektgruppe "Biomimetische Mineralisation" versucht die nicht klassischen Aufbauprinzipien sowie die Steuerung von Kristallisationsvorgängen durch strukturdirigierende Additive nachzuahmen und zu verstehen. Dadurch können nicht nur Biomineralisationsvorgänge aufgeklärt werden, sondern es werden auch neue Wege der umweltfreundlichen Materialsynthese mit biokompatiblen Komponenten etabliert.
  • Von molekularen Modulen zu modularen Funktionsmaterialien

    2004 Kurth, Dirk G.
    Der Aufbau von Materialien durch schwache, konkurrierende Wechselwirkungen aus molekularen Modulen bietet faszinierende Perspektiven für die Entwicklung neuer Schlüsseltechnologien. Die Verwendung dieser Wechselwirkungen zum kontrollierten Aufbau definierter Funktionsmaterialien hat sich daher zum Leitmotiv in den Nanowissenschaften und der chemischen Materialforschung entwickelt. Hier werden verschiedene Methoden beschrieben, wie molekulare Module spontan zu komplexen Architekturen zusammengefügt werden können. Die Einbeziehung von Metall-Ionen in die Strukturen führt zu Wert steigernden Funktionen, die für magnetische, optische und elektronische Anwendungen von Interesse sind. Der modulare Aufbau bietet eine weit reichende Kontrolle über die Struktur und die Funktion von der molekularen bis hin zur makroskopischen Ebene. Darüber hinaus bietet die Verwendung der funktionalen und strukturellen Module einen unübertroffenen Grad an Vielfalt, Flexibilität und synthetischer Einfachheit.
  • Biomimetische Nanostrukturen und -Prozesse: Computersimulation als bildgebendes Verfahren

    2004 Shillcock, Julian; Lipowsky, Reinhard
    Biomimetische Systeme mit maßgeschneiderten Eigenschaften haben eine Vielzahl von potenziellen Anwendungen, etwa als Wirkstoffträger oder als Biosensoren. Die Konstruktion derartiger Systeme erfordert ein genaues Verständnis der zu Grunde liegenden Nanostrukturen und -prozesse. Diese Strukturen sind oft nur einige Nanometer dick und deshalb sehr flexibel und beweglich. Da es keine experimentelle Methode gibt, mit der man die Dynamik derartiger Nanostrukturen direkt abbilden könnte, bieten sich Computersimulationen als bildgebende Verfahren an. Eine besonders leistungsfähige Simulationsmethode ist die Dissipative-Partikel-Dynamik, die man einsetzen kann, um supramolekulare Systeme mit einer Lineardimension von 50 Nanometern über einen Zeitraum von mehreren Mikrosekunden zu beobachten. In diesem Beitrag werden drei Beispiele für derartige Systeme diskutiert: Lipidmembranen, die mehrere Komponenten enthalten und verschiedene Domänen ausbilden; Vesikel aus Diblock-Copolymeren, die als Wirkstoffträger interessant sind; sowie die Spannungs-induzierte Fusion von Doppelschicht-Membranen. Die Simulations-Methode der Dissipativen-Partikel-Dynamik kann zur Optimierung von Nanostrukturen und -prozessen eingesetzt werden, bevor man kostspielige experimentelle Versuchsreihen durchführt.
  • Der Umbauprozess im trabekulären Knochen

    2004 Weinkamer, Richard
    Lebender Knochen wird laufend durch An- und Abbau kleiner Knochenpakete erneuert. Dieser Umbauprozess wird nach mechanischen Prinzipien über einen Regelkreis kontrolliert. Dadurch besitzt Knochen die Fähigkeit sich ändernden mechanischen Anforderungen anzupassen. Da sich Experimente äußerst schwierig gestalten, wird dieser Regelkreis mithilfe von Computermodellen intensiv studiert. Die Simulationen erlauben es, Entwicklungen in der Knochenstruktur durch Alterung von krankhaften Veränderungen zu unterscheiden. Über ein detailliertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Regelkreis und resultierender Knochenstruktur besteht die Hoffnung, Knochenerkrankungen näher „an ihrer Wurzel packen“ und therapieren zu können.

2003

  • Nichtklassische Kristallisation

    2003 Cölfen, Helmut
    Die Untersuchung von Kristallisationsvorgängen ist eine klassische Fragestellung in der Wissenschaft. Kristalle sind aus Ionen oder Molekülen aufgebaut und haben eine kleinste Einheit, die so genannte Einheitszelle. Alle Kristallformen lassen sich aus dieser ableiten, d. h., "normale" Kristalle weisen definierte planare Flächen auf. In letzter Zeit hat die Untersuchung von Biomineralien (von lebenden Organismen gebildete Mineralien wie z. B. die Skelettgerüste von Algen) allerdings nahe gelegt, dass nicht alle Kristalle in das klassische Lehrbuchbild passen. Diese Kristalle weisen Formen mit komplexer Gestalt auf, die sogar untypische Rundungen beinhalten und damit von den planaren klassischen Kristallflächen abweichen. Des Weiteren sind Biomineralien meist hoch optimierte Verbundwerkstoffe wie z.B. Knochen, Zähne oder Muschelschalen. Dies wird durch Steuerung des Kristallisationsvorgangs durch strukturdirigierende Moleküle erreicht. Dabei werden diese Kristalle im Regelfall nicht nach den Prinzipien der klassischen Kristallisation gebildet, d.h. durch regelmäßige Anlagerung der Einzelbausteine (Ionen und Moleküle). Die Projektgruppe "Biomimetische Mineralisation" versucht die nicht klassischen Aufbauprinzipien sowie die Steuerung von Kristallisationsvorgängen durch strukturdirigierende Additive nachzuahmen und zu verstehen. Dadurch können nicht nur Biomineralisationsvorgänge aufgeklärt werden, sondern es werden auch neue Wege der umweltfreundlichen Materialsynthese mit biokompatiblen Komponenten etabliert.
  • Von molekularen Modulen zu modularen Funktionsmaterialien

    2003 Kurth, Dirk G.
    Der Aufbau von Materialien durch schwache, konkurrierende Wechselwirkungen aus molekularen Modulen bietet faszinierende Perspektiven für die Entwicklung neuer Schlüsseltechnologien. Die Verwendung dieser Wechselwirkungen zum kontrollierten Aufbau definierter Funktionsmaterialien hat sich daher zum Leitmotiv in den Nanowissenschaften und der chemischen Materialforschung entwickelt. Hier werden verschiedene Methoden beschrieben, wie molekulare Module spontan zu komplexen Architekturen zusammengefügt werden können. Die Einbeziehung von Metall-Ionen in die Strukturen führt zu Wert steigernden Funktionen, die für magnetische, optische und elektronische Anwendungen von Interesse sind. Der modulare Aufbau bietet eine weit reichende Kontrolle über die Struktur und die Funktion von der molekularen bis hin zur makroskopischen Ebene. Darüber hinaus bietet die Verwendung der funktionalen und strukturellen Module einen unübertroffenen Grad an Vielfalt, Flexibilität und synthetischer Einfachheit.
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