Forschungsprojekte

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Gefördert durch den Freistaat Thüringen und durch den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2022 bis 2023

Energiespeicher und -wandler sind im Hinblick auf eine nachhaltige Energieversorgung zentrale Bestandteile einer erfolgreichen Energiewende. Polymere sind in diesem Zusammenhang vielversprechende Materialien, da diese Energiespeicher (d.h. Batterien) und -wandler (z.B. Solarzellen) mit besonderen Eigenschaften (z.B. flexibel, druckbar, leicht, niedriger Kohlendioxid-Fußabdruck) erlauben. Im Rahmen dieses Vorhaben soll die Infrastruktur des CEEC Jena im Hinblick auf diese Polymeren weiter ausgebaut werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Das Projekt entwickelt neue abbaubare hydrophobe Materialien wie Polyesterketale und Polyesteramide und zielt darauf ab, diese Polymere so zu gestalten, die Einkapselungseffizienz für ein bestimmtes Arzneimittel in einem kombinierten experimentellen und rechnerischen Ansatz zu maximieren. Atomistische Simulationen in Verbindung mit Methoden des maschinellen Lernens sowie mesoskalige Simulationen realer Nanocarrier-Modelle werden für recheneffiziente Vorhersagen der Wirkstoffbeladungskapazität, der Nanopartikelbildung, der Verkapselung und der Wirkstofffreisetzung eingesetzt.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Ziel ist die Etablierung von effektiveren Substanzen zur Eindämmung von Entzündungen, insbesondere von dualen Inhibitoren der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1 (mPGES-1) und des 5-Lipoxygenase-aktivierenden Proteins (FLAP) oder der 5-Lipoxygenase (5-LO). Eine verbesserte Bioverfügbarkeit und zielgerichtete Verabreichung der Wirkstoffe soll durch den Einsatz von Polymerpartikeln als Nanocarrier erreicht werden. Die zielgenaue Applikation der Inhibitoren wird mit Hilfe moderner Fluoreszenzmikroskopie sowohl in Monozyten-abgeleiteten Makrophagen als auch in komplexeren Biosystemen untersucht.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Wir konnten nachweisen, dass wurmartige Polymermizellen selektiv in die veränderte Mukosa von Patienten mit chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen aufgenommen werden. Durch spezifische Oberflächenmodifikation dieser Nanopartikel (z.B. mittels Oberflächenladung oder zielgerichteter Liganden) soll nun die Aufnahmerate gesteigert und ein effektiver Transport antiinflammatorischer Wirkstoffe zu Makrophagen als zentrale entzündungsfördernde Zellen erreicht werden. Dieses Konzept wird ex vivo an humanen Makrobiopsien und einem biochip-basierten 3D-Darmmodel getestet.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Das Projekt zielt auf die Modulierung der Oberfläche von Polyester-Nanopartikeln mit Poly(2-oxazolin)en (POx) und Hybridprotein-Nanofasern (HPNF) und untersucht den Einfluss dieser gebundenen Materialien auf die innere Struktur des Nanopartikel durch Bewertung der thermischen und mechanischen Eigenschaften. Abhängig von ihrer Struktur und Funktionalität induzieren POx und HPNF auch Stealth-Verhalten, beeinflussen die Penetration der Nanopartikel durch biologische Barrieren und dienen als Plattform für die Anbindung von Targeting-Liganden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Es werden Polymer-basierte Nanopartikel mit verbesserter Biokompatibilität entwickelt, die genetisches Material in kultivierte Zellen und in Blutzellen in vivo transferieren können. Cohesin wurde als epigenetischer Mediator von Entzündungssignalen in hämatopoetischen Stammzellen identifiziert. Es wird nun die Rolle von Cohesin im Entzündungsgedächtnis bestimmt und Polymer-basierte Therapien zum transienten Cohesin-Knockdown etabliert, um Gewebeschäden durch Entzündungssignale / -gedächtnis im Alter zu verhindern.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

B02 entwickelt Strategien zur gezielten Bekämpfung intrazellulärer pathogener Mikroorganismen. Durch Lokalisierung in Phagolysosomen (PL) entkommen einige Pathogene dem Immunsystem. B02 entwickelt Polymer-Nanopartikel mit maßgeschneiderten Oberflächenstrukturen zur effizienten Aufnahme durch Makrophagen. Diese NP beinhalten ein oder mehrere Antibiotika, die in PL freigesetzt werden. Weiterhin wird ein Wirkstoff entwickelt, der die Fusion von PL mit Antibiotika mit Pathogen-enthaltenden PL verstärkt.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Synthetisierte Dextranderivate und Polyester werden als Trägermaterialien für Entzündungshemmer bei Leberfibrose verwendet. Diese mit Inhibitoren beladenen Nanopartikel werden mittels biophotonischer Imaging Methoden in Zellen oder direkt in der Leber visualisiert. Die durch Nanopartikel induzierte Modulation und Aktivierung von Sternzellen wird zusätzlich mit Hilfe von Omics-Methoden analysiert. Dieser interdisziplinäre Ansatz ermöglicht neue Behandlungsoptionenen der Fibrose.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

C04 untersucht die Aufnahme von Nanopartikeln in Zellen sowie deren Assoziation mit intrazellulären Kompartimenten und ihre Wechselwirkung mit Membranen. Hierzu wird eine Kombination aus Elektronen- und hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie verwendet. Die Co-Lokalisierung von Entzündungsmarkern, Enzymen und Rezeptoren als Reaktion auf die Partikelaufnahme und Wirkstofffreisetzung verspricht ein besseres Verständnis der Wirkungsweise von Nanopartikeln in biologischen Systemen.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2025

Der Leber kommt eine Schlüsselfunktion in der Progression einer unkomplizierten Infektion zu einer tödlichen Sepsis zu. Die Kommunikation zwischen Leberparenchym- und Immunzellen über chemotaktische Faktoren, wie beispielsweise Cxcl2, ist essenziell für die Etablierung einer Hyperinflammation. Wir planen eine Hemmung der sekundären Inflammation unter der Verwendung von Nanopartikel-vermittelter Genomeditierung zur Verhinderung massiver Immunzellrekrutierung zu bewirken.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2025

Ziel ist die Entwicklung virusähnlicher Nanopartikel, welche flexibel auf verschiedenste Viren adaptiert werden können, um antivirale Medikamente in potentiell virusinfizierte Zellen und Gewebe einzubringen und zukünftige Pandemien effizient zu bekämpfen. Spike-Proteine sollen als Zielmoleküle für die virusähnlicher Nanopartikel verwendet und die Zellaufnahmemechanismen gegenüber Wildtypviren und nicht-infektiösen virusartigen Partikeln für SARS-CoV-2 in Zellkulturen und Maus-Hepatitis Coronavirus im Organismus verglichen werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2025

Influenza A Viren und SARS-CoV-2 verursachen globale Gesundheitsprobleme. Bekannte Faktoren, die an der Virusreplikation, der antiviralen Abwehr und Entzündung beteiligt sind, gelten als attraktive Ziele für pharmazeutische Strategien. Um deren therapeutische Wirkung zu optimieren, sollen leicht zugängliche synthetische antivirale- und natürliche anti-inflammatorische Substanzen, sowie spezielle Inhibitoren hoch konzentriert in Nanopartikeln verpackt und deren Funktionalität in zellulären Systemen charakterisiert werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2025

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Z01 unterstützt und entwickelt notwendige Untersuchungsmöglichkeiten, um wichtige Fragestellungen aller Projekte des SFB zu addressieren. Die unterstützenden und entwickelten Methodiken umfassen: Hochdurchsatzexperimente, hochskalierte Polymersynthese, hydrodynamische Lösungscharakterisierung, Fraktionierung, Lichtstreuung, bildgebungsbasierte Charakterisierung, Makrophagenversorgung und Formulierungsprozesse unter Berücksichtigung einer Guten Herstellungspraxis (GMP).

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2025

Wasserfluss und reaktiver Transport findet im Hainich CZE in einem komplexen hydrogeologischen Umfeld statt. Um die Transportwege natürlicher organischer Substanzen zu rekonstruieren, benötigt man maßgeschneiderte, funktionell repräsentative, konservative und reaktive Tracer. In diesem Projekt werden Tracerbibliotheken mit synthetischen Polymeren kontrollierter kolloidaler Größe, Hydrophobizität, pH- und redoxabhängigem Verhalten, als auch kontrollierter Stabilität erschaffen. Diese Tracer werden dann vollständig charakterisiert und in Folge in Modellstudien zur Löslichkeit und Mobilität zunehmender Komplexität vom Labormaßstab bis zur Anwendung in der Natur herangezogen.

Schwerpunktprogramm (SPP 2363) “Utilization and Development of Machine Learning for Molecular Applications – Molecular Machine Learning
From Fundamentals to Application and Beyond

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2022 bis 2024

The interaction of transition metal ions and organic molecules in solution will be investigated using a machine-learning approach. So far, openly reported systematic massive data on these systems are sparse, preventing from an efficient use of machine-learning approaches. Within this project, we address this challenge by generating high throughput data, both experimentally, employing modern robot-based approaches, and theoretically, by utilizing DFT calculation on fast GPU-based DFT programs.

Within this project, we will not only generate large amount of data (experimentally and theoretically), which can be individually utilized employing methods of machine-learning to identify correlations but, moreover, to also cross-correlate theoretical and experimentally obtained data.

The aim of this systematic study is to predict the interaction of an organic molecule and a metal ion by just using the chemical structure of the molecule and the sort of metal ion. These results could therefore be highly interesting for the development of new drugs, catalysts or energy conversion moieties.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2024

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Im Rahmen des deutsch-russischen Projekts, bei dem zwei Gruppen aus den Bereichen Polymerchemie (Schubert) und Polymerphysik (Tsvetkov) zusammenarbeiten, sollen Metallopolymere mit geladenen Metallkomplexen in den Seitenketten hergestellt und bezüglich ihrer molekularen Struktur und Konformation in Lösung untersucht werden. Die zentrale Fragestellung ist dabei, wie sich die verschiedenen Strukturparamter dieser Polymere (d.h. Art des Metallzentrums, Ladungen, Wahl des Gegenions, etc.) auf das Verhalten in Lösung auswirken. Zu diesem Zweck sollen drei Arten an Metallopolymeren untersucht werden: Systeme mit Metal-Terpyridin-Komplexen, Metallocen-/Metalloceniumeinheiten und Metall-Carbonyl-Komplexen in den Seitenketten. Derartige Polymere sind von großem Interesse bezüglich potentieller Anwendungen in der (Photo)Katalyse, Optoelektronik, Nanotechnologie oder Biomedizin. Umfassende Untersuchungen der molekularen Struktur und Konformation solcher Materialien sind bislang nicht durchgeführt worden. Die Modularität der Synthesen, beruhend auf kontrolliert-radikalischen Polymerisationstechniken und Koordinationschemie, wird eine präzise Herstellung von systematischen Polymerbibliotheken ermöglichen (Schubert), was die Voraussetzung für die umfassende Analyse mit den verschiedenen hydrodynamischen und optischen Methoden darstellt (Tsvetkov). Darüber hinaus sollen die hergestellten Metallopolymere in Zusammenarbeit mit externen Partnern verwendet werden, um zu bimetallischen Nanopartikeln (Prof. Wong, Hong Kong) und antimikrobiellen Wirkstoffen (Prof. Schatzschneider, Würzburg) zu gelangen. Abschließend sollen Interpolyelektrolyt-Komplexe, supramolekulare Assoziate aus den hergestellten polykationischen Metallopolymeren und synthetischen/natürlichen Polyanionen, assembliert und charakterisiert werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Metallopolymere repräsentieren eine spezielle Klasse von supramolekularen Polymeren, welche aus zwei verschiedenen Teilen bestehen. Hierbei werden Metallkomplexe und (synthetische) Polymere kombiniert zu einem Material, was die Eigenschaft beider aufweist. Innerhalb des Projektes soll dieses Konzept weiter untersucht werden. Dahingehend werden neue Arten von Metallopolymeren hergestellt, die sich durch einzigartiges Selbst-assemblierungsverhalten auszeichnen und auf Basis dieser Nanostrukturbildung herausragende Eigenschaften besitzen. Dafür werden Metallkomplexe mit der Fähigkeit zur Bildung definierter molekularer Einheiten mit ausgewählten Polymeren kombiniert werden, um so den Assemblierungsprozess der Metallopolymere zu kontrollieren, um den Weg zu neuen oder verbesserten Eigenschaften (z.B. Selbstheilung oder Shape-memory) und damit verbundenen Anwendungen zu ermöglichen.Um Überstrukturen und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen herzustellen, soll die Selbst-assemblierung der Metallkomplexe mit Polymeren kombiniert werden, die ebenfalls die Fähigkeit aufweisen, sich in gezielte Nanostrukturen zu ordnen (z.B. kristalline Polymere oder Blockcopolymere). Dabei wird eine zentrale Fragestellung die Wechselwirkung zwischen beiden Komponenten darstellen und ob diese vor- oder nachteilhaft für die Ordnung des Gesamtsystems ist.Eine Herausforderung des Projekts ist die Charakterisierung der erhaltenen Materialien in Lösung und im Feststoff. Dafür wird eine Reihe von verschiedenen modernen Analysetechniken verwendet, um schließlich die Anordnung der Metallopolymere gezielt zu ermöglichen und den Einfluss des Metallkomplexes auf das Polymerverhalten und andersrum zu untersuchen. Dies ist insbesondere als Vorarbeit für spätere Anwendungen dieser Materialien wichtig. Schließlich wird dabei als eine Anwendung die Beeinflussung der Eigenschaften durch externe Stimuli untersucht werden.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2021 bis 2023

Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung

Kunststoffe sind aus zahlreichen Anwendungsgebieten nicht mehr wegzudenken. Da sie nur teilweise recycelt werden können und Mikroplastik ein allgegenwärtiges Problem darstellt, stehen sie dennoch zunehmend in der Kritik. In diesem Zusammenhang bieten intelligente Kunststoffe eine Alternative. Eine neue Klasse intelligenter Polymerwerkstoffe, die herausragende Eigenschaften zeigen, sind Vitrimere. Sie weisen Selbstheilung auf, können wiederverwertet werden und zeigen eine verbesserte Verarbeitbarkeit. Als mögliche Werkstoffe der Zukunft sollen diese Polymernetzwerke im Rahmen des Forschungsprojektes von der Synthese, über die Charakterisierung und dem Verständnis des Mechanismus bis hin zu ihren Umwelteinflüssen untersucht werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Das Projekt wird den Einsatz von Nanodiamanten (NDs) zur Verbesserung der (chemischen, elektrischen, optoelektronischen) Eigenschaften organischer Photovoltaik-Solarzellen (PV) vorantreiben. Die mit NDs vorbereiteten Strukturen werden entweder als Schichten (z.B. durch Erweiterung oder Austausch von Ladungsabsaugschichten wie PEDOT: PSS oder ZnO) oder Volumenkomponente (in ternären Volumen-Hetero-Übergangs organischen Solarzellen) sein. Die NDs variieren in der Größe (1-10 nm) und der Oberflächenterminierung (O, H), die alle sehr gut durch die Präparation definiert sind. Die Strukturen werden durch fortschrittliche Rastermikroskopie-Methoden (KPFM, C-AFM) in der Dunkelheit und unter Beleuchtung (DUV-vis, Sol. Simulator) und makroskopische (z.B. Strom-Spannungs) Messungen charakterisiert. Die physikalisch-chemischen Wechselwirkungen zwischen NDs und anderen Ladungstransportmaterialien werden spektroskopisch untersucht (Raman-Streuung, FTIR, PL). Es wird erwartet, dass das Projekt das Wissen über die Rolle und mögliche Anwendung von NDs in der organischen Photovoltaik (z.B. zur Lichtstreuung, zur aktiven Photoresponse, deren optische und chemische Wechselwirkungen, Ladungsgewinnung und-transport) und welche Konfiguration (Größe und Oberflächenfunktionalisierung von NDs, Schicht- oder Volumenkomponente, Art der Photoaktivschicht-Mischung) die besten Eigenschaften in Bezug auf Leistung und Stabilität aufweisen (Energieumwandlungswirkungsgrad, optische und mechanische Eigenschaften, Degradationsstabilität).

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

In der Zahnheilkunde werden langlebige und sehr stabile Bondings und Komposite verwendet. Bei temporären Anwendungen (z.B. bei der Befestigung von Brackets oder bei Provisorien) ist dadurch eine Zahnsubstanz schonende Entfernung bisher nicht möglich. Ziel des Projektes ist es, neue Formulierungen herzustellen, welche immer noch mittels Licht (> 420 nm) ausgehärtet werden können, jedoch durch Bestrahlung mit UV-Licht (< 360 nm) so stark geschwächt werden können, dass ein schonendes Entfernen der Brackets und Komposite ermöglicht wird. Hierfür werden neue photospaltbare Komponenten synthetisiert und zu Bondings und Kompositen formuliert. Durch Variation der Konzentration der Bestandteile der Formulierungen (im Formulierungsroboter), deren Aushärtung und anschließender UV-Bestrahlung sowie der Bestimmung der Änderung der mechanischen Eigenschaften (mittels Nanoidentation) werden Formulierungen identifiziert, welche eingehenderen Testungen unterzogen werden. Dies beinhaltet die Ermittlung der biomechanischen Grenzwerte und der Scherhaftfestigkeit an Zähnen und die Analyse der Zahnoberflächen nach Ablösung genauso wie die Untersuchung der Biokompatibilität der Formulierungen und deren Abbauprodukte.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Gefördert vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft (TMWWDG)
Laufzeit: 2020 bis 2023

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2021 bis 2022

Gefördert von der VolkswagenStiftung
Laufzeit: 2021 bis 2022

Quorum sensing is a phenomenon of unicellular organisms to induce a different response depending on their population density. Only to name two natural examples, quorum sensing is the basis of biofilm formation of some bacteria or the bioluminescence of squids, which have a larger number of symbiotic bioluminescent bacteria in specialized light organs. Noteworthy, these bacteria will not glow isolated. In this project the biological principle of quorum sensing is intended to serve as an inspiration for the design of a new generation of synthetic polymeric materials. These polymers will feature different properties based on their concentration or number. They can "communicate" amongst each other and certain functions or properties of the material are only enabled as soon as sufficient particles are spatially close to each other. This behavior will enable the design of the next generation of intelligent materials.

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2021 bis 2022

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2020 bis 2022

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2020 bis 2022

Gefördert vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft
Laufzeit: 2019 bis 2022

Mittels digitaler Sensortechnik lassen sich heute nahezu sämtliche Vitalitätsparameter einer Kuh bzw. eines Rindes in Echtzeit bestimmen und überwachen. Das sind zum Beispiel Körpertemperatur, Blutdruck, Puls und Herzfrequenz, die Blutsauerstoffsättigung, Bewegungsparameter oder die Menge der Futter- und Wasseraufnahme. Dadurch lassen sich Rückschlüsse auf die Gesundheit der Tiere ziehen, Unregelmäßigkeiten im Tagesablauf erkennen oder tierspezifische Entscheidungen bei der Hege ableiten. Was Fitness-Uhren heute für den Menschen leisten können, kann somit in ganz ähnlicher Weise auch für das Tierwohl genutzt werden.

Im Experimentierfeld „Sensorik & Energieversorgung“ werden solche Sensorsysteme unter dem Aspekt der allgemeinen Nutzbarkeit durch den Landwirt betrachtet. Welche Sensorik eignet sich für den Einsatz am Tier und wo liegen Einschränkungen und Grenzen? Welche Parameter lassen sich wo mit welchem Sensor am besten erheben und wie oft ist das eigentlich notwendig? Durch welche Energieversorgung kann die Sensorik ausdauernder oder nachhaltiger gespeist werden? Schließlich benötigt die Sensorik Energie und ein Tier kann man nicht wie ein Mobiltelefon regelmäßig an eine Steckdose schließen. Am Ende muss sich das alles natürlich auch finanziell rechnen, was die Aufgabe entsprechend schwieriger gestaltet.

Diese und weitere Fragen werden für aktuell kommerziell am Markt erhältliche Produkte, und darüber hinaus auch neuartige Technologien für Sensorik, Energiegewinnung, -speicherung und -einsparung experimentell untersucht und wissenschaftlich bewertet. Die zu findenden Antworten werden im Verlauf sowohl für die Forschung als auch für den Praxisanwender aufbereitet und können eine wichtige Entscheidungshilfe für die Einführung der Digitalisierung in der tierbezogenen Landwirtschaft darstellen.

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2019 bis 2022

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2019 bis 2022

Das Gleichgewicht mikrobieller Konsortien mit anderen Organismen und der Umwelt ist essentiell für die Funktion aller Ökosysteme, ein stabiles Klima, nachhaltige Landwirtschaft, sowie das Wohlergehen von Pflanzen, Tieren und Menschen. Das Mikroversum beschreibt funktionell interagierende oder räumlich koexistierende mikrobielle Konsortien. Anthropogene Einflüsse oder infektiöse Mikroorganismen können dramatische Dysbalancen verursachen, die Ökosysteme zerstören und Ernteausfälle und Krankheiten zur Folge haben. Um nicht nur wie bisher die Symptome nicht-funktionierender Systeme zu behandeln, ist die Erhaltung und Wiederherstellung mikrobieller Gleichgewichte durch gezielte Interventionen entscheidend. Der Microverse Cluster erforscht die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen und adressiert hierzu wesentliche offene Fragen: Was definiert die Dynamik mikrobieller Gleichgewichte? Welche Faktoren destabilisieren das Gleichgewicht und stellen es wieder her? Wie können wir mikrobielle Konsortien zum Wohle des Menschen und der Umwelt beeinflussen? Für die Beantwortung dieser Fragen vereinigt der Microverse Cluster unsere Expertisen in Mikrobiologie, chemischer Biologie, Infektionsbiologie, Optik/Photonik, Materialwissenschaften und Bioinformatik/Systembiologie an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und außeruniversitären Instituten. Verstärkt wird der Cluster durch vier flankierende Sonderforschungsbereiche, eine Exzellenz-Graduiertenschule sowie weitere koordinierte Forschungsprogramme und Industriepartner.Der Cluster ist in drei Forschungsbereiche untergliedert:A) Mikroversum der UmweltB) Mikroversum des WirtesC) Datensynopse und Microverse Imaging Center.Das Forschungsprogramm beinhaltet die Untersuchung mikrobieller Gleichgewichte anhand chemischer Signale, der räumlichen Verteilung von Organismen und Metaboliten, Wirtsfaktoren und des genetischen Austauschs zwischen Organismen. Der systemübergreifende Vergleich und das Data-Mining diverser Habitate, wie räumlich begrenzte menschliche und pflanzliche Wirte, nahezu grenzenlose aquatische Systeme sowie synthetische mikrobielle Konsortien, erlauben die Identifizierung genereller Prinzipien.Ein neues Gebäude mit einer bestehenden und zusätzlichen Professuren und Nachwuchsgruppen sowie dem Microverse Imaging Center mit modernen biophotonischen Technologien und Räumlichkeiten für Prototypen-Entwicklung verstärkt den Cluster und bildet sein Gravitationszentrum. Es ermöglicht den wissenschaftlichen Austausch und die Integration internationaler Gastwissenschaftler. Förderprogramme für kooperative Forschungsprojekte, individuelle Fellowships, ein strukturiertes Trainingsprogramm sowie innovative Strategien für die Internationalisierung und das Management von Diversität tragen zur weltweiten Sichtbarkeit dieses Clusters bei. Ausgehend von der Erforschung mikrobieller Gleichgewichte wird der Microverse Cluster neue Lösungen zur Bekämpfung von Krankheiten und Dysbalancen in der Umwelt entwickeln.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2019 bis 2022

Im Forschungsvorhaben sollen künstliche molekulare Photosysteme synthetisiert werden, und hinsichtlich ihrer Eignung zur Energiekonversion grundlegend untersucht werden. Dazu soll ein neues Baukastenprinzip genutzt werden, welches durch Vorarbeiten einen deutlich verringerten Syntheseaufwand aufweist. Das angestrebte Funktionsprinzip beinhaltet die Entkopplung der Elementarprozesse (Energie- und Elektronentransfer) durch maßgeschneiderte Bausteine – so dass zielgerichtet Polymer-basierte Architekturen aufgebaut werden sollen. Zur Auswahl und Eingrenzung der vielen denkbaren Strukturen dienen deren optische und elektrochemische Eigenschaften, welche nun nützlich kombiniert werden sollen. Dazu steht die lichtgetriebene Ladungstrennung im Vordergrund, jedoch lässt sich das Baukastenprinzip auch auf andere Anwendungsfelder übertragen bzw. erweitern.Im ersten Arbeitspaket sollen die Grundeinheiten synthetisiert werden, welche sich in deren molekularen Struktur unterscheiden. Diese tragen weiterhin polymerisierbare Gruppen sowie löslichkeitsvermittelnde Gruppen, welche in den nächsten Arbeitspaketen genutzt werden sollen.Im zweiten Arbeitspaket sollen molekulare Architekturen zusammengesetzt werden, indem die elektrochemischen Baueinheiten zu Ketten polymerisiert werden. Die erhaltenen Elektronen- bzw. Lochleitenden Polymerketten werden anschließend durch nur zwei Kopplungsschritte an einen Farbstoff angebunden. Besonders ist in diesem Zusammenhang die einfache Synthese von umfangreichen Substanzbibliotheken, welche bisher bei artverwandten Molekülen nach klassischen Syntheserouten nur mit sehr hohem synthetischem Aufwand zugänglich waren.Im dritten Arbeitspaket soll die lichtgetriebene Ladungstrennung sowie Rekombination durch moderne zeitaufgelöste Spektroskopie verfolgt werden. Dazu sollen mögliche Einflussgrößen (Kettenlänge, Konjugationsart der Polymere, interne Ladungskaskaden) untersucht werden, um eine Rekombination der erzeugten Ladungsträger zu minimieren. Diese Studien sollen zunächst in Lösung erfolgen, und anschließend einführend im Feststoff durch Filmbildung betrachtet werden, um einen späteren Anknüpfungspunkt für Folgearbeiten bzw. deren praktisches Potential zukünftig untersuchen zu können.Das Ziel und der Nutzen des Forschungsvorhabens liegen in der Etablierung eines Baukastenprinzips auf molekularer Ebene, um auf nanoskopischer Ebene Ladungsträger bzw. angeregte Zustände zu erzeugen und zu steuern. Diese sind für eine Vielzahl von Anwendungsgebieten relevant (Energiekonversion), u.a. für katalytische Folgereaktionen, molekulare Bewegung oder Erzeugung eines externen elektrochemischen Potentials. Weiterhin ist der Ersatz der hier gewählten Komponenten durch andere Einheiten einfach möglich, was einen bleibenden Wert zum Aufbau von funktionalen Molekülarchitekturen für nachfolgende Arbeiten und Anknüpfungspunkte an andere Forschungsfelder darstellt.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2019 bis 2022

Die Entwicklung von selektiven Anionenrezeptoren, welche die gezielte Detektion und Bindung sowie den Transport von relevanten Anionen ermöglichen, ist schon seit vielen Jahren eines der wichtigsten Forschungsbereiche der supramolekularen Chemie. Bisher basierten diese Rezeptoren vor allem auf der Donation von Wasserstoffbrückenbindungen, zuletzt sind jedoch auch Halogenbrückendonoren in den Fokus gerückt. Im Unterschied zur Wasserstoffbrücke weist die mit ihr eng verwandte Halogenbrücke eine höhere Direktionalität, einen größeren kovalenten Bindungsanteil sowie eine stärkere Wechselwirkung mit einem Lewis-basischen Partner auf und ermöglicht dadurch den Aufbau von potentiell selektiveren Rezeptoren. Ein zentraler Heterozyklus, welcher durch seinen modularen Zugang eine einfache Implementierung von Halogenbrückenbindungen in verschiedene Systeme ermöglicht, ist das halogenierte 1,2,3-Triazol bzw. das korrespondierende Triazoliumsalz. Dieser Baustein erlaubt eine starke Polarisierung des Halogens und somit eine sehr effiziente Halogenbrückendonation. Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll mittels besonders effizient und modular zugänglicher halogenierter 1,2,3-Triazole und 1,2,3-Triazoliumsalze das große Potential der Halogenbrückenbindungen ausgeschöpft werden. Hierbei sollen folgende Teilprojekten (1 bis 5) bearbeitet werden:1) Durch gezielte Modifikationen der Anionenbindungstasche (Veränderung des Bisswinkels zum Anion, Variation des Abstandes der Donorfragmente zueinander, Variation der elektronenziehenden Gruppe sowie Präorganisation des Systems) soll der Einfluss verschiedener Variablen auf das Komplexierungsverhalten untersucht werden. 2) Durch die Verknüpfung des Anionenrezeptors mit einem Ruthenium(II)-Komplex wird der Aufbau eines Anionensensors angestrebt, welcher sich durch eine gutes Detektionsverhalten und ein niedriges Detektionslimit auszeichnen sollte.3) Weiterhin ist der Aufbau von Ionenpaarrezeptoren sowie die Untersuchung ihrer kooperativen Eigenschaften hinsichtlich Selektivität und Bindungsaffinität geplant. 4) Die hohe Richtungsabhängigkeit und Stärke der Halogenbrücke kann in der Organokatalyse entscheidende Vorteile gegenüber bisher etablierten Katalysatoren, basierend auf Wasserstoffbrückenbindungen, bieten. Gleichzeitig ermöglicht der modulare Aufbau der Triazole einen einfachen Einbau von chiralen Resten, wodurch auch leicht hochinteressante Organokatalysatoren für enantioselektive Reaktionen zugänglich sein sollten.5) Aufgrund der hohen Bindungsstärke sowie der Reversibilität von Halogenbrückenbindungen soll ihre Anwendung in selbstheilenden Materialen untersucht werden.Die Anwendung der Halogenbrückenbindung in der Komplexierung von Anionen ist von hohem aktuellem Interesse und bietet ein enormes Potential. Ziel des vorliegenden Forschungsplans ist die Entwicklung neuer Halogenbrückendonoren für die Anwendung in Sensoren, Organokatalysatoren und funktionellen Materialien.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2019 bis 2022

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

DNA-Origamis werden genutzt, um funktionelle molekulare Einheiten wie Photosensibilisatoren, Elektronenshuttles oder Katalysatoren oder auch Kopolymere räumlich präzise anzuordnen. Struktur-Eigenschaftsbeziehungen dieser Systeme sowie Elektronentransfer innerhalb der Einheiten werden untersucht. Die genaue Anordnung zweier getrennter molekularer Einheiten auf der DNA-Oberfläche, in räumlicher Nähe zu Polymeren oder die Anordnung zweier Polymere werden untersucht.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Das Projekt entwickelt die Integration von Photoredox-aktiven Ru-Photosensibilisatoren in redoxaktive Kopolymere durch supramolekulare Wechselwirkungen. Redoxaktive Gruppen wie Anthrachinone oder Viologene werden in den Polymerstrang eingebettet und können als Multielektronen-Speichereinheit während katalytischer Prozesse fungieren. Weitere Funktionalisierung der Polymerstränge durch molekulare HER-Katalysatoren wird untersucht, um katalytisch aktive Systeme zu erzeugen. Anschließend wird der Einfluß der Kopolymer-Struktur auf Elektronentransferprozesse im Detail untersucht.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Redox-Flow Batterien (RFBs) sind interessante Kandidaten für die stationäre Energiespeicherung. Ihre Kapazität und Leistung kann unabhängig voneinander skaliert werden, indem entweder die Größe des Speichertanks oder des Zellstapels angepasst wird. Im Gegensatz zu klassischen Batterien basieren Redox-Flow Batterien auf Aktivmaterialien, welche gelöst (supendiert) in einem flüssigen Elektrolyten vorliegen. Daher sind die erreichbaren Energiedichten durch die Gegenwart des nicht-aktiven Lösungsmittels (oftmals Wasser) beschränkt. Bis heute wurde hauptsächlich die Vanadium-RFB intensiv untersucht; diese basiert auf Vanadiumionen, welche in Schwefelsäure gelöst sind. In den letzten Jahren ist zunehmend das Interesse an organischen (polymeren) Aktivmaterialien gestiegen.Dieses gemeinsame Projekt hat die Entwicklung von neuen redox-aktiven ionischen Flüssigkeiten (IL) für RFB-Elektrolyte zum Ziel. Hierbei werden alle Moleküle des Elektrolyten redoxaktiv sein. Weiterhin wird das beschränkte Spannungsfenster von wässrigen Elektrolyten erweitert. Dies resultiert schlussendlich in höheren erreichbaren Energiedichten. Im Rahmen des Projektes arbeiten die beiden Partner an der Friedrich-Schiller-Universität Jena (Institut für Technische Chemie und Umweltchemie sowie Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie) eng zusammen. Der letztgenannte Partner wird die Synthese und strukturelle Charakterisierung der neuen redoxaktiven ILs durchführen. Diese ILs setzen sich aus einer redoxaktiven Gruppe und ionischen Gruppen zusammen. Zusätzliche werden Zelltests durchgeführt nachdem der Partner ITUC die hergestellten Materialien intensiv untersucht hat. Hier stehen insbesondere die elektrochemischen und thermischen Eigenschaften dieser Materialien im Vordergrund.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022

Selbstheilende Polymere können ihre ursprünglichen Eigenschaften nach einem Schadensfall wieder herstellen. Insbesonders intrinsisch selbstheilende Polymere, welche auf verschiedensten reversiblen Wechselwirkungen basieren, sind intensiv erforscht worden. Neben verschiedenen supramolekularen Wechselwirkungen sind hauptsächlich reversible kovalente Wechselwirkungen untersucht worden. In diesem Zusammenhang wurden reversible Additions- (z.B. Diels Alder Reaktion) sowie Kondensationsreaktionen (z.B. Imine, Acylhydrazone) untersucht.Viele wissenschaftliche Forschungsarbeiten beschäftigten sich mit der Aufklärung des Heilungsverlaufs bzw. des zugrundeliegenden Heilungsmechanismus in verschiedenen reversiblen Polymernetzwerken. Trotz des signifikanten Wissenszuwachses in diesem Bereich, sind der Schadensfall sowie die daraus resultierenden Veränderungen noch recht unklar - wenn man vom offensichtlichen Kratzer oder Riss absieht. So stellt sich die Frage: "Sind die reversiblen kovalenten Bindungen wirklich Sollbruchstellen?"In diesem Zusammenhang zielt dieses Projekt auf die Aufklärung der ablaufenden Prozesse in reversibel vernetzten Polymeren durch die Einführung von Mechanophoren. Diese Mechanophore sollen auf Donor-Akzeptor-Systemen basieren, welche in die reversiblen kovalenten Bindungen (Thiol-en-Reaktion, Diels-Alder-Cycloaddition, Imine) integriert werden. Der Zustand der reversiblen Bindung (offen oder geschlossen) wird in einer Verschiebung der Absorption resultieren, was die detaillierte Untersuchung dieser Bindungen erlaubt. Auf diese Weise kann zunächst der Schadensprozess untersucht werden. Anschließend kann der Heilungsprozess dieser Polymernetzwerke verfolgt werden. Zusammenfassend kann die Art des Schadens in Verbindung mit der daraus resultierenden unterschiedlichen mechanischem Aktivierung der Polymere, d.h. der reversiblen Bindung, verfolgt werden.Verschiedene Schadensfälle könnten hier zu unterschiedlichen Mustern bei der Aktivierung in den Polymeren führen woraus unterschiedliche Verläufe der Heilung dieser Polymernetzwerke folgen können.Es ist weiterhin anzumerken, dass diese Mechanophore auch die detaillierte Untersuchung von Iminen erlauben. Diese reversible Bindung wird einen Heilungsprozess basierend auf Austauschreaktionen zeigen. Viele molekulare Charakterisierungsmethoden werden in diesem Fall keine detaillierten Ergebnisse liefern (im Gegensatz zu einem fast kompletten Öffnen von reversiblen Bindungen).

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2018 bis 2022
Teilprojekt des SPP 2102:  Licht-kontrollierte Reaktivität von Metallkomplexen

Im Rahmen des beantragten Projekts, bei dem zwei Gruppen aus den Bereichen Synthesechemie und Physikalischer Chemie zusammenarbeiten, werden die ultraschnellen Prozesse im angeregten Zustand bei mehrkernigen Metallkomplexen mit Ru(II), Fe(II), Os(II) und Cr(III) Zentren untersucht. Die Anregung der Metall-zu-Ligand Ladungstransferübergänge geschieht dabei, im Gegensatz zu dem üblichen Vorgehen, gezielt bei hohen Anregungsintensitäten. Systematische Studien, die sich auf diese speziellen Bedingungen beziehen und auf die Ableitung von Struktur-Dynamik-Beziehungen unter diesen Bedingungen abzielen, sind bislang nicht durchgeführt worden und werfen die zentrale Frage auf, ob das Konzept der Exziton-Exziton Annihilation, welches aus der Photophysik von konjugierten Polymeren bekannt ist, sich auf molekulare Koordinationsverbindungen übertagen lässt und wie die molekulare Struktur sich auf dessen Kinetik auswirkt. Darüber hinaus soll der Effekt des kinetisch gehemmten intramolekularen Energietransfers untersucht werden, ein Effekt der in jüngsten Vorarbeiten an einem modellhaften dreikernigen Metallkomplex vom Donor-Akzeptor-Donor-Typ beobachtet werden konnte. Der rote Faden des vorgestellten Projekts ist die Herausarbeitung der lichtinduzierten Mehrelektronenprozesse und ein Verständnis für das Design der angeregten Zustände in Metallkomplexen. Hierbei wird von den gemeinsamen Vorarbeiten ausgegangen und mehrkernige Komplexe mit verschiedenen Metallzentren, die über -konjugierte Brückenliganden miteinander verbunden sind, als Substrate verwendet und bezüglich einer Reihe von Fragestellungen untersucht: Kann die Triplet-Triplet Annihilation im angeregten Zustand bei der gezielten Anregung von zwei Metallzentren in einem Komplex durch die molekulare Struktur beeinflusst werden? Lässt sich die Rate des kinetisch gehemmten intramolekularen Energietransfers in dreikernigen Donor-Akzeptor-Donor Komplexen über das molekulare Design einstellen? Welchen Einfluss hat die Anwesenheit von mehr als zwei Donor-Einheiten pro Akzeptor auf den Energietransfer und die Triplet-Triplet Annihilation, wenn mehrere Metallzentren gleichzeitig angeregt werden?

Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI)
Laufzeit: 2017 bis 2022

Mit dem Forschungsvorhaben zur Entwicklung einer photoelektrochemischen Redox-Flow-Batterie (Photo-RFB) soll ein Energiespeichersystem bereitgestellt werden, welches zusätzlich zu seinen Funktionen als Speicher auch direkt mit Sonnenlicht geladen werden kann, ohne dass dafür eine separate Stromzufuhr oder weitere Peripherie erforderlich sind. Im Gegensatz zu der Kombination einer Photovoltaik-Zelle mit einer separaten Batterie können in einem solchen integrierten System viele Komponenten sowie ein Teil der Regelungstechnik eingespart werden und das Gesamtsystem so kostengünstiger, kleiner und effizienter realisiert werden. Aufgrund dieser Eigenschaften bieten sich Photo-RFB als eine der Schlüsseltechnologien für das Gelingen der Energiewende an. Die wesentlichen Ziele dieses Forschungsvorhabens sind daher die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von Materialien für Photoelektroden und darauf maßgeschneiderte organische Elektrolyten für den Einsatz in Photo-RFB sowie ein dazu passendes Zell- und Modulkonzept. Neben der Entwicklung des Systems und seiner Komponenten sollen zudem auch fundamentale Daten zu der Effizienz und den limitierenden Faktoren dieser innovativen Technologie gesammelt werden, die bisher nicht verfügbar sind. Dieses Wissen ist unabdingbar für eine kritische Evaluierung der Wettbewerbsfähigkeit dieses neuartigen integrierten Systems.

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Foto: EFRE

Gefördert durch den Freistaat Thüringen und durch den Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2017 bis 2022

Das Innovationszentrum CEEC Jena bietet Forschungs- und Entwicklungsleistungen sowie Aus- und Weiterbildungsangebote in drei Bereichen – der Energieerzeugung, der Energiespeicherung und der Umwelttechnik – an. Der Förderantrag betraf die aktuellen Aktivitäten und Besonderheiten des CEEC Jena im Gebiet der Energiespeicherung.

Innovative Energiespeichertechnologien sind ein wichtiges Element zum Gelingen der Energiewende in Deutschland und für die zukünftige Wertschöpfung als Industrienation in einer Vielzahl von Produktbereichen. Das CEEC Jena hat sich darauf spezialisiert, Batterien der nächsten und übernächsten Generation („Beyond Lithium Batteries“) in einem ganzheitlichen Forschungsansatz, der von der anwendungsorientierten Grundlagenforschung bis zur Entwicklung von Prototypen reicht, zu entwickeln. Das CEEC Jena verzichtet im Gegensatz zu konkurrierenden Forschungsansätzen auf den Einsatz von Metallen (zum Beispiel von Cobalt in Lithium-Batterien bzw. Seltenen Erden in Nickel-Metallhybrid-Batterien) durch umweltfreundliche Alternativen aus Polymeren (Kunststoffen) oder Keramiken.

Die wissenschaftlichen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Potenziale innovativer Batteriespeicher – von kleinen druckbaren Polymerbatterien über Natrium-Ionen-Batterien bis hin zu großen stationären Energiespeichern (zum Beispiel Polymer-Redox-Flow- Batterien) – werden durch zahlreiche Studien renommierter Experten bestätigt. Das CEEC Jena konnte sich in diesem Segment erfolgreich etablieren und verfügt über ein klares Entwicklungskonzept, um die Chancen der Energiewende für den Standort zu nutzen. Damit unterstützt das CEEC Jena zentral die Zielsetzungen, die im Rahmen der Regionalen Forschungs- und Innovationsstrategie (RIS 3 Thüringen) festgelegt worden sind. Ziel ist es einerseits die wissenschaftliche Spitzenpositionen auf- bzw. auszubauen und zugleich die Voraussetzungen zu schaffen, vollständige Produktions- und Wertschöpfungsketten für Batteriespeicher in Thüringen und Deutschland aufzubauen.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2018 bis 2021

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2017 bis 2021

Natürliche Materialien besitzen eine Vielzahl von herausragenden Eigenschaften. Diese basieren zumeist auf einer hochgeordneten Proteinstruktur. Die grundlegenden Informationen für die Herstellung solcher Moleküle sind in der DNA gespeichert. Die sogenannte Proteinbiosynthese ermöglicht hierbei die kontrollierte Herstellung der Proteine für einen bestimmten Zweck.Dieser Antrag zielt darauf ab, das Konzept der Proteinbiosynthesis für die Herstellung von strukturell-definierten ligandhaltigen Polymeren und den daraus resultierenden Metallopolymeren zu nutzen. Dafür werden Template, welche Liganden besitzen, hergestellt. Eine hoch selektive und orthogonale supramolekulare Bindungsbildung resultiert dann in einem vororientierten System, welches die Bildung von Ligandoligomeren ermöglicht. Diese können anschließend mittels Stufen- oder Kettenwachstumspolymerization in Polymere eingebaut werden. Abschließend ermöglicht die Komplexierung verschiedener Metallsalz die Herstellung von Metallopolymeren, welche sich durch ein hohes Maß an Ordnung auszeichnen. Die so hergestellten Polymere sollen im Detail untersucht werden. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf der molekularen Struktur und weiterhin auf der Organisation der Metallopolymere. Schließlich soll diese Analyse es ermöglichen, Struktur-Eigenschaftsbeziehungen herzustellen und neuartige Synthesemethoden für Metallopolymere zu etablieren.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2021

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll eine neue Hydrogel-Plattform für die Zweiphotonen-Polymerisation (2PP) etabliert werden, um dreidimensionale Hydrogelstrukturen für gezielte Oberflächen-Zell-Interaktionen zu generieren. Hierfür sollen Poly(2-oxazolin)-basierte Makromonomere als Edukte für Hydrogele hergestellt und mittels 2PP strukturiert werden. Zur Verbesserung der Strukturierbarkeit werden wasserlösliche biokompatible Photoinitiatoren durch die Kopplung von bekannten Initiatormotiven mit Oxazolin-basierten Polymeren und Oligomeren synthetisiert. Zusätzlich können nachfolgend adhäsionsvermittelnde Moleküle kovalent an die erhaltenen Netzwerke gebunden werden. Zur Evaluation des biomedizinischen Potentials soll diese Plattform dann auf ihre Kapazität im Hinblick auf die Induktion von Zelldifferenzierungsprozessen mesenchymaler Stammzellen untersucht werden.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2021

Die Verbreitung mobiler Geräte und deren zunehmende allgegenwärtige Vernetzung mit dem Internet (Internet of Things) macht die Entwicklung platzsparender wie auch biegbarer Stromspeicher erforderlich. Die derzeitige Referenztechnologie der Lithiumionenakkumulatoren erweist sich dabei als nur bedingt geeignet, da zum Einen die Herstellung mechanisch flexibler Systeme nur eingeschränkt möglich ist und zum Anderen sich sowohl die Gewinnung und Verarbeitung der benötigten Rohstoffe als auch die Entsorgung ausgedienter Batterien ökologisch hoch anspruchsvoll gestaltet. Aus diesen Gründen wird mehr und mehr Aufwand in die Entwicklung organischer redoxaktiver Moleküle als Grundlage für Dünnschichtsekundärbatterien investiert. Diese lassen sich durch organische Synthese herstellen und durch Verbrennen idealerweise rückstandslos entsorgen. Weiterhin lassen sich ihre (elektro)chemischen Eigenschaften durch Optimierung der gewählten chemischen Strukturen an unterschiedlichste Anforderungen anpassen. Jedoch haben kleine Moleküle den Nachteil, sich unter Umständen in der Akkumulatorzelle zu lösen und so die Lebenszeit drastisch zu reduzieren. Deshalb werden die monomeren redoxaktiven Einheiten in langkettige Polymere integriert, die eine wesentlich schlechtere Löslichkeit aufweisen.Im Rahmen dieses Projektes sollen im Speziellen Polymere auf Grundlage des Benzo-1,2,4-triazinylradikal entwickelt werden. Dieses Molekül zeichnet sich durch elektrochemische Reversibilität, Stabilität gegenüber Luft und Wasser sowie gute synthetische Zugänglichkeit aus. Des Weiteren lassen sich seine Redoxeigenschaften sehr einfach durch Wahl eines geeigneten Subsitutionsmusters einstellen, sodass auch Systeme erzeugt werden können, die sowohl als Anode als auch als Kathode fungieren können und den Bau einer bipolaren, pol-losen Batterie ermöglichen.Ein zentrales Ziel stellt die Erhöhung der bisher nur geringen theoretischen Kapazität (60 bis 70 mAh g-1) auf Werte über 100 mAh g-1 dar. Dies soll primär durch Verringerung der molaren Masse der Monomere geschehen. Letztere sollen dabei selbstverständlich ihre (elektro)chemische Stabilität beibehalten, eine Spannung von ca. 1,2 V ermöglichen (um die Verwendung wässriger Elektrolyte zu erlauben) und immer noch polymerisierbar sein. Das Studieren des Einflusses verschiedener Substituenten am Molekül auf deren Eigenschaften soll dabei eine systematische Optimierung der Komponenten ermöglichen. Die Studie umfasst dabei die direkte Charakterisierung der Monomere und Polymere in Lösung und im Film, die Verarbeitung der Polymere in Dünnschichtkompositelektroden (mit Leit- und Bindeadditiv) und deren Charakteriserung sowie den Bau und die umfassende Untersuchung von halborganischen (mit Lithium bzw. Natrium als Anode) und vollorganischen Zellen. Dabei soll auch die Herstellung der Zellen, insbesondere bezüglich der Wahl der Additive und der Verarbeitung der Dünnschichtelektroden (Rakeln, Tintenstrahldruck), optimiert werden.

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2018 bis 2019

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2017 bis 2019

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2019

Das Projekt zielt auf die Integration molekularer Komponenten, d.h. Photokatalysatoren und redox-aktive Antennenkomplexe, in jüngst entwickelte Kohlenstoffnanomembranen. Diese neuen zu erforschenden Materialsysteme können dann perspektivisch in photokatalytischen Zellen zum Einsatz kommen. Das Projekt zur Erforschung neuer photoaktiver Membranen für die artifizielle Photosynthese wird verschiedene Fragestellungen an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft und Physikalischer Chemie adressieren: (i) Entwicklung on neuen Kohlenstoffnanomembranen, die mit Modellsystemen für Elektronendonoren, Elektronenakzeptoren und Photosensibilisatoren funktionalisiert sind; (ii) Entwicklung neuer synthetischer Protokolle für die Herstellung von Kohlenstoffnanomembranen, die selber (ohne Oberflächenfunktionalisierung) neue Funktionalitäten tragen, d.h. die Entwicklung von synthetischen Protokollen zur Integration von Photosensibilisatoren und Elektronendonoren und -akzeptoren in die Ebene der Membranen; (iii) Entwicklung eines mechanistischen Verständnisses für die Licht-induzierten Elementarreaktionsschritte innerhalb der neuen Kohlenstoffnanomembranen und eine proof-of-concept Demonstration der photokatalytischen Wasserstofferzeugung von den neuartigen, mit Kobaltkatalysatoren funktionalisierten Kohlenstoffnanomembranen. Das Projekt zielt darauf ab, die konzeptionelle Basis für das Design von photokatalytisch aktiven Kohlenstoffnanomembranen für die artifizielle Photosynthese zu schaffen. Die supramolekularen Systeme, die im Rahmen des Projekts untersucht werden sollen, basieren auf molekular-dünnen Kohlenstoffnanomembranen, die auf jeder ihrer beiden Seiten spezifisch und unabhängig voneinander funktionalisiert werden können. Das Augenmerk dieses Projekts wird (noch) nicht auf der Bauteilintegration solcher Membranen z.B. in photokatalytische Zellen liegen sondern auf die Etablierung der grundlegenden Designprinzipien abzielen. Zusätzlich sollen zentrale mechanistische Studien zu den photoinduzierten Reaktionsschritten, die der angestrebten Funktion der Membranen zugrunde liegen, durchgeführt werden. Die Kohlenstoffnanomembranen werden im Rahmen dieses Projekts mit Ru(II)-Polypyridinkomplexen funktionalisiert, die als licht-absorbierende Einheiten und primäre Elektronendonoren fungieren. In dem angestrebten Design der photoaktiven Kohlenstoffnanomembranen werden die Elektronendonoren auf eine Seite der Membran aufgebracht, während die zweite Seite der Membran orthogonal funktionalisierbar korrespondierende Akzeptoreneinheiten tragen wird. Dieses Design befördert die Ausbildung von ladungsseparierten Zuständen unter Lichtbestrahlung. Diese ladungsseparierten Zustände sind dadurch charakterisiert, dass photooxidierte und photoreduzierte Spezies räumlich durch die Membran getrennt sind.

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Laufzeit: 2016 bis 2019

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2020

Formgedächtnispolymere (shape-memory polymers - SMPs) sind in der Lage ihre ursprüngliche Form selbst nach einer Verformung wieder anzunehmen. Durch Beeinflussung mittels externer Stimuli (z.B. Wärme) kehrt das Polymer aus seiner temporären in die permanente Form zurück. Metallopolymere sind hervorragend dafür geeignet, um neuartige SMPs herzustellen. Diese schließen die Lücke zwischen den etablierten SMPs und den Formgedächtnislegierungen. Metallopolymere können durch externe Stimuli in ihren Eigenschaften variiert werden. Durch die integrierte supramolekulare Bindungseinheit (Metall-Ligand-Wechselwirkung) können die Reversibilität und die verwendeten Trigger (z.B. Wärme, Licht, Chemikalien) variiert werden. Dadurch ist es möglich, Polymere zu erhalten, welche durch eine Vielzahl an möglichen Stimuli geschaltet werden können. Im Rahmen dieses Projekts werden neuartige Metallopolymernetzwerke aus verschiedenen Metallionen und Comonomeren hergestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Verarbeitungsmethoden genutzt: Zum einen der Reaktiv-Tintenstrahldruck sowie die Copolymerisation in Substanz. Die daraus resultierenden Metallopolymere werden hinsichtlich ihres Formgedächtnisverhaltens und ihrer Schaltbarkeit untersucht. Weiterhin wird der Einfluss des Metallsalzes auf die resultierenden Eigenschaften studiert. Diese grundlegenden Informationen werden später dazu genutzt, um neuartige Triple-Shape-Memory Metallopolymere herzustellen. Hierfür sind zwei Arten von Metallkomplexen notwendig, welche unabhängig voneinander adressierbar sein müssen. Somit wird durch die Stimulation eines Metallkomplexes der Übergang von der ersten temporären Phase in die Zweite induziert. Schließlich führt die Schaltung des zweiten Metallkomplexes durch einen externen Stimulus (z.B. höhere Temperatur oder Wärme) wieder zur Ursprungsform (d.h. der permanenten Form). Ein anderer Teil dieses Projekts beschäftigt sich mit der Selbstheilungsfähigkeit der Formgedächtnis-Metallopolymere. Hierfür wird der Einfluss des Formgedächtnisverhaltens auf die Selbstheilungseigenschaften untersucht. Somit soll schließlich festgestellt werden, ob ein verbessertes Selbstheilungsverhalten auftritt (SMASH). Letztendlich soll ein komplett neues Verhalten untersucht werden, das sogenannte Multiway Triple-Shape-Memory. Auch hierfür ist ein Metallopolymer mit zwei unabhängig voneinander adressierbaren Metallkomplexes notwendig. Weiterhin werden zwei orthogonale Stimuli verwendet. Im Gegensatz zu klassischen Triple-Shape-Memory Systemen ermöglicht dieses Verhalten, dass zwei verschiedene temporäre Formen nach der Verwendung des ersten Stimulus erreichbar sind. Welche der beiden Formen erhalten wird, hängt von dem verwendeten Stimulus ab. Wird zunächst z.B. Licht verwendet, wird eine andere Form erreicht, als wenn zuerst Wärme verwendet wird. Schließlich wird aber nach der Verwendung beider Stimuli die permanente Form erhalten.

Gefördert vom Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft (TMWWDG)
Laufzeit: 2014 bis 2019

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2020

Ziel des Projekts ist die Herstellung von wurmartigen Mizellen mit kontrollierter Länge, Stabilität und Zusammensetzung zur selektiven Aufnahme in Brustkrebszellen durch multi-valentes Targeting. Dazu werden amphiphile Blockcopolymere mit unterschiedlichen Blocklängenverhältnissen auf Basis von Polyethern oder Polyestern hergestellt, die im hydrophoben Segment vernetzbare Gruppen in der Seitenkette tragen. Weiterhin werden funktionalisierte Derivate von 2,5-Anhydro-Mannitol (AMtl) hergestellt und durch geeignete Verknüpfungsreaktionen kovalent an den hydrophilen Block dieser Blockcopolymere angebunden. AMtl weist eine hohe Affinität zu einem in sehr vielen Brustkrebszelllinien überexprimierten Fructose-spezifischen Transporter auf: GLUT5. Die nachgeschaltete Coassemblierung von Blockcopolymer-Mischungen mit verschiedenen Anteilen von AMtl-funktionalisiertem Material in wässriger Lösung führt dann zu wurmartigen Mizellen mit präzise einstellbarer Dichte an AMtl-Einheiten in der Corona. In Abhängigkeit von der Länge und der Flexibilität der Mizellen können durch solche Strukturen mehrere benachbarte GLUT5-Rezeptoren gleichzeitig adressiert werden. Auf diese Weise soll eine spezifischere Anbindung der wurmartigen Mizellen gegenüber sphärischen Nanopartikeln erreicht werden. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir weiterhin den Einfluss der Stabilität der wurmartigen Mizellen auf die endocytotische Zellaufnahme unter statischen und dynamischen Bedingungen untersuchen. Hierzu wird zum einen der Kern der Strukturen teilweise quervernetzt oder aber durch einen hydrolytisch labilen Polyester-Block gebildet.

Gefördert von der Carl-Zeiss-Stiftung 
Laufzeit: 2017 bis 2019

Im Rahmen des Projektes soll ein synthetisches Analogon nach dem Vorbild des Resilins hergestellt werden. Resilin ist ein natürlich vorkommendes Protein und besitzt herausragende Eigenschaften wie Superelastizität und die Fähigkeit, Millionen Flügelschläge ohne jegliche Ermüdung zu ermöglichen. Hierbei zeichnet es sich durch eine Nanostruktur aus und die Sequenz kann in drei Abschnitte unterteilt werden, wobei jeder dieser andere Eigenschaften in das Biopolymer mit einbringt. Daher wird zunächst versucht, jeden einzelnen Abschnitt der Sequenz durch ein synthetisches Polymer abzubilden, um schließlich durch Kombination der einzelnen Fragmente ein biomimetisches Material zu erhalten, das in seinen Eigenschaften dem Resilin ähnelt.
Hierfür ist es notwendig, jeden einzelnen Bereich in seinen Eigenschaften, aber auch das Zusammenspiel der verschiedenen Abschnitte, möglichst gut nachzubilden. Insbesondere sind der erste sowie dritte Abschnitt die funktionalen Komponenten im Resilin und sollen daher explizit nachgeformt werden. Während sich der erste Abschnitt durch ein hohes Maß an Elastizität auszeichnet, ist der dritte Abschnitt in der Lage, während mechanischer Belastung eine Konformationsänderung durchzuführen. Diese Funktion soll durch Metallkomplexe erreicht werden, welche es ermöglichen, die Strukturänderung zu imitieren. Durch gezielte Variation der Zusammensetzung sollen beide Teile imitiert werden, um schließlich ein hochgeordnetes System, welches zusätzlich eine Phasenseparation aufweisen soll, zu erhalten. Die Bestimmung der Polymereigenschaften soll in Struktur-Eigenschaftsbeziehungen resultieren, um ein synthetisches Material mit resilinähnlichen Eigenschaften anzufertigen.

Gefördert vom Thüringer Ministerium für Umwelt, Energie und Naturschutz (TMUEN)
Laufzeit: 2018

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2018

Das Ziel der ASYMCOPO ist die Entwicklung neuer Materialien, welche die nützlichen Eigenschaften von Gradientencopolymeren nachahmen, ohne jedoch komplexe Syntheseverfahren zu benötigen. Gradienten-Copolymere, deren Zusammensetzung kontinuierlich als Funktion der Kettenlänge variiert, sind eine faszinierende Materialklasse mit einer Vielzahl potentieller Anwendungsmöglichkeiten. Die Herstellung eines Polymers mit einem vordefinierten Zusammensetzungsgradienten erfordert ein semi-kontinuierliches Verfahren über welches eine sorgfältige Kontrolle der Monomerzugabe, sowie ein ständiges Feedback erfolgen, um so die Zusammensetzung in jedem Stadium der Polymerisation regulieren zu können. Erst kürzlich hat sich gezeigt, dass die Idee eines Gradienten-Copolymers widersprüchlich ist: Während die durchschnittliche Zusammensetzung aller Ketten eines Polymers problemlos von einem Ende der Kette zum anderen variiert werden kann, ist jede einzelne Kette aus diskreten Monomereinheiten zusammengesetzt. D.h. an einem beliebig anderen Punkt innerhalb der Kette muss die Zusammensetzung einen von zwei möglichen Werten annehmen. Somit zeigen Polymere, die im Durchschnitt einen Zusammensetzungsgradienten aufweisen, eine sehr breite Verteilung hinsichtlich ihrer Struktur. Außerdem ist es unmöglich, den Gradienten der Zusammensetzung des gesamten Polymers aus einer Polymerkette zu rekonstruieren. So ergibt sich die naheliegende Frage: Was ist das definierende Strukturmerkmal eines Gradienten-Copolymers? Können diese Eigenschaften mittels Strukturen nachgeahmt werden, die leichter herzustellen sind unter Verwendung von wohlverstandenen Batchpolymerisationsprozessen? In diesem Projekt wollen wir die Frage mit Hilfe des Konzeptes der asymmetrischen Copolymere beantworten: Polymere die das Zwischenprodukt zwischen der Struktur eines Block- und statistischen Copolymers sind. Wir haben Rahmenbedingungen für die Klassifizierung dieser Polymere basierend auf dem Konzept des Asymmetrie-Momentes entwickelt. Mit deren Hilfe werden wir unsere Forschung zunächst auf die Synthese konzentrieren und anschließend die Eigenschaften der neuen Materialklasse erforschen. Wir streben danach Strukturen aus 2 bis 4 statistisches Copolymer-Segmenten zu definieren, welche die nützlichen Eigenschaften von Gradientencopolymeren imitieren, jedoch wesentlich einfacher zu synthetisieren sind. Dieses Projekt erfordert die Herstellung einer umfangreichen Bibliothek von Copolymeren mit verschiedenen Strukturen und erfordert die Beteiligung eines Laboratoriums mit Fachwissen und Kompetenz auf dem Gebiet der Hochdurchsatz-Polymersynthese und Charakterisierung. Das IOMC in Jena ist eine der führenden Forschergruppen in diesem Bereich. Parallel dazu erfordert die Synthese von wohldefinierten Gradientencopolymeren eine sorgfältige Kontrolle der Polymerisationsbedingungen unter Verwendung des Know-how des IMRCP Toulouse, auf dem Gebiet der Polymerisationskinetiken, Polymersynthese und Charakterisierung.

Gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG)
Laufzeit: 2016 bis 2018

Die Entwicklung von selektiven Anionenrezeptoren, welche die gezielte Detektion und Bindung sowie den Transport von relevanten Anionen ermöglichen, ist schon seit vielen Jahren eines der wichtigsten Forschungsbereiche der supramolekularen Chemie. Bisher basierten diese Rezeptoren vor allem auf der Donation von Wasserstoffbrückenbindungen, zuletzt sind jedoch auch Halogenbrückendonoren in den Fokus gerückt. Im Unterschied zur Wasserstoffbrücke weist die mit ihr eng verwandte Halogenbrücke eine höhere Direktionalität, einen größeren kovalenten Bindungsanteil sowie eine stärkere Wechselwirkung mit einem Lewis-basischen Partner auf und ermöglicht dadurch den Aufbau von potentiell selektiveren Rezeptoren. Ein zentraler Heterozyklus, welcher durch seinen modularen Zugang eine einfache Implementierung von Halogenbrückenbindungen in verschiedene Systeme ermöglicht, ist das halogenierte 1,2,3-Triazol bzw. das korrespondierende Triazoliumsalz. Dieser Baustein erlaubt eine starke Polarisierung des Halogens und somit eine sehr effiziente Halogenbrückendonation. Im Rahmen des geplanten Forschungsvorhabens soll mittels besonders effizient und modular zugänglicher halogenierter 1,2,3-Triazole und 1,2,3-Triazoliumsalze das große Potential der Halogenbrückenbindungen ausgeschöpft werden. Hierbei sollen folgende Teilprojekten (1 bis 5) bearbeitet werden:1) Durch gezielte Modifikationen der Anionenbindungstasche (Veränderung des Bisswinkels zum Anion, Variation des Abstandes der Donorfragmente zueinander, Variation der elektronenziehenden Gruppe sowie Präorganisation des Systems) soll der Einfluss verschiedener Variablen auf das Komplexierungsverhalten untersucht werden. 2) Durch die Verknüpfung des Anionenrezeptors mit einem Ruthenium(II)-Komplex wird der Aufbau eines Anionensensors angestrebt, welcher sich durch eine gutes Detektionsverhalten und ein niedriges Detektionslimit auszeichnen sollte.3) Weiterhin ist der Aufbau von Ionenpaarrezeptoren sowie die Untersuchung ihrer kooperativen Eigenschaften hinsichtlich Selektivität und Bindungsaffinität geplant. 4) Die hohe Richtungsabhängigkeit und Stärke der Halogenbrücke kann in der Organokatalyse entscheidende Vorteile gegenüber bisher etablierten Katalysatoren, basierend auf Wasserstoffbrückenbindungen, bieten. Gleichzeitig ermöglicht der modulare Aufbau der Triazole einen einfachen Einbau von chiralen Resten, wodurch auch leicht hochinteressante Organokatalysatoren für enantioselektive Reaktionen zugänglich sein sollten.5) Aufgrund der hohen Bindungsstärke sowie der Reversibilität von Halogenbrückenbindungen soll ihre Anwendung in selbstheilenden Materialen untersucht werden.Die Anwendung der Halogenbrückenbindung in der Komplexierung von Anionen ist von hohem aktuellem Interesse und bietet ein enormes Potential. Ziel des vorliegenden Forschungsplans ist die Entwicklung neuer Halogenbrückendonoren für die Anwendung in Sensoren, Organokatalysatoren und funktionellen Materialien.

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB), Co-finanziert durch Mittel des Europäischen Sozialfonds (ESF)/Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE)
Laufzeit: 2016 bis 2018

Redox-Flow-Batterien (RFB) basieren im Gegensatz zu den meisten konventionellen Batterien auf Aktivmaterialien, welche in gelöster Form vorliegen. In den Elektrolyten kann die Energie (der Strom) gespeichert werden. Diese werden in zwei Vorratstanks gespeichert und können in einer elektrochemischen Zelle geladen bzw. wieder entladen werden. Bislang basieren kommerzielle RFBs hauptsächlich auf Vanadiumelektroylten. Im Rahmen des Teilvorhabens sollen nun neuartige Elektrolyte untersucht werden, welche auf organischen Polymeren basieren. Im Gegensatz zu den bisher genutzten Elektrolyten auf Basis von linearen redoxaktiven Polymeren werden (hoch)verzweigte Polymere als Aktivmaterial untersucht werden. Aufgrund der anderen Polymerstruktur werden bessere Eigenschaften bei den resultierenden Elektrolyten erwartet. So weisen Lösungen von verzweigten Polymeren im Vergleich zu ihren linearen Gegenstücken, niedrigere Viskositäten auf.

Gefördert von der Thüringer Aufbaubank (TAB)
Laufzeit: 2016 bis 2018