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Karlsruhe School of Optics and Photonics

Antriebsfeder für Fortschritte in Optik und Photonik sind faszinierende wissenschaftliche Herausforderungen, unerwartete Durchbrüche, und ein gewaltiger Markt mit einem jährlichen Umsatz von mehr als einhundert Milliarden Euro. Als unterstützende Technologie beeinflussen Optik und Photonik außerdem maßgeblich neue Entwicklungen in Bereichen wie Physik, Chemie, Biologie sowie Elektrotechnik und Maschinenbau. Leider bestehen in Deutschland wie in den meisten anderen Ländern deutliche Defizite bei der Ausbildung auf diesem Gebiet. Während in der Regel das Grundstudium in all diesen Fächern die Grundlagen der Optik vermittelt, werden moderne Fragen in Optik und Photonik nur in Spezialvorlesungen behandelt, die von unterschiedlichen Instituten angeboten werden. Um diesen Mangel aufzuheben, bietet die Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP) am Karlsuher Institut für Technologie (KIT) ein neu konzipiertes, umfassendes Master- und Doktoranden-Programm an. Physiker, Chemiker, Biologen, Maschinenbauer und Elektrotechniker aus unserer Universität und den Partner-Institutionen beteiligen sich in einen interdisziplinären Ansatz an diesem neuen Programm. Zwölf Professoren und mehr als zehn weitere Arbeitsgruppenleiter decken die vier KSOP-Forschungsbereiche Photonische Materialien und Komponenten, Moderne Spektroskopie, Biomedizinische Photonik und Optische Systeme ab. Schon vor dem offiziellen Start des Master Programms im Herbst haben Anfang 2007 eine beträchtliche Zahl von sorgfältig ausgewählten jungen Wissenschaftlern ihre Forschungsprojekte im Rahmen des Doktoranden-Programms begonnen.

KSOP

Bei der Exzellenz-Initiative von Bund und Ländern war das Ausbildungskonzept der KSOP auf ganzer Linie erfolgreich. Zusammen mit dem Zentrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) als Exzellenzcluster und KIT als vielversprechende „Zukunftsstrategie“ ist das KSOP einer der Eckpfeiler der Initiative in Karlsruhe. Die Elemente dieses überzeugenden Ansatzes brachten nicht nur beträchtliche Finanzmittel, sondern auch den Status einer „Elite-Universität“, den zur Zeit nur drei Einrichtungen in Deutschland haben. Unter der Leitung von Prof. Dr. Uli Lemmer arbeitete ein interdisziplinäres Team von anerkannten Wissenschaftlern das ehrgeizige Konzept der KSOP aus. Studenten finden ein exzellentes Forschungsumfeld vor: Mit dem Forschungszentrum Karlsruhe (FZK), dem Forschungszentrum für Informationstechnologie (FZI) in Karlsruhe und dem in Stuttgart ansässigen Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) sind darin die führenden regionalen Kräfte auf dem Gebiet der Optik und Photonik zusammengefasst.

Das dreijährige Doktoranden-Programm in Optik und Photonik umfasst das Forschungsprojekt der jungen Wissenschaftler für ihre Dissertation, Pflicht-Module sowie Wahl-Vorlesungen aus dem Master Programm für Optik und Photonik, das im Herbst 2007 startete. Angeboten wird auch ein spezielles modulares Doktoranden-Trainingsprogramm, das Einheiten aus einem Katalog von technischen, wissenschaftlichen und Management-Modulen einschließt. Jedes technische Modul ist ein kompakter zweiwöchiger Praxis-Kurs mit direktem Bezug zur Forschung an der KSOP. Wissenschaftliche Exzellenz und technische Leistungen sind Voraussetzung für eine herausragende Dissertation; eine erfolgreiche Laufbahn in der Industrie oder im akademischen Bereich erfordert aber oft zusätzliche Führungs- und Managementqualitäten und interdisziplinäres Wissen. Deshalb wird auf Management-Fähigkeiten Wert gelegt, die in vorgeschriebenen Management-Modulen an der HECTOR School of Engineering and Management, einem kürzlich gegründeten Zweig des International Department der Universität Karlsruhe, unterrichtet werden. Darüber hinaus wurde ein ausgewogenes Mentoren- und Qualitätsmanagement-System eingerichtet, um den Kandidaten einen schnellen Weg zum Doktorgrad zu ebnen.

Ziel der KSOP ist es, als Graduiertenschule eines der führenden europäischen Forschungs- und Ausbildungszentren für Optik und Photonik zu werden. Aufgrund der intensiven Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Ingenieuren wird sie außerdem zu neuen Erfolgsgeschichten beitragen, wie sie in der Vergangenheit für den Laser und andere einzigartige Technologien geschrieben wurden. Dem fortgeschrittenen Studenten bietet sie umfassendes und interdisziplinäres Wissen, das Voraussetzung für eine erfolgreiche akademische oder industrielle Laufbahn auf dem Gebiet der Optik und Photonik sowie damit verbundenen Technologien ist.

Seit 2011 ist auch der AK Bräse in der KSOP stark vertreten (Research Area I). So werden einerseits mit Fluoreszenzfarbstoffen markierte Peptoide bearbeitet, mit denen neue Einblicke in biologische Systeme gewonnen werden können und andererseits mit neuen effizienten Materialien für Organischen Leuchtdioden (OLEDs) und Organischen Solarzellen (OSC) Grundlagen für die Nutzung optoelektronischer Devices für neue Anwendungen gelegt.

 
Weitere Informationen unter www.ksop.de

 

Fluoreszierende Peptoide

Abbildung 1: Transport durch die Zellmembran. Der Mechanismus ist immer noch unklar

Abbildung 1: Transport durch die Zellmembran. Der Mechanismus ist immer noch unklar.

Für viele biologische und medizinische Anwendungen ist die direkte Aufnahme von bioaktiven Wirkstoffen von großer Wichtigkeit, zum Beispiel um Medikamente direkt zu ihrem Ziel in der Zelle zu bringen. Die Natur stellt dafür sogenannte Zell-penetrierende Peptide (cell penetrating peptides, CPPs) zur Verfügung. Diese sind in der Lage, Moleküle durch die Membranen der Zellen zu schleusen. Unglücklicherweise sind diese Transporter oft nicht stabil gegenüber einem enzymatischen Abbau und daher nicht als Carrier für Medikamente einsetzbar.

Abbildung 2: Festphasensynthese von Peptoiden 

Abbildung 2: Festphasensynthese von Peptoiden.

Peptoide (N-substituierte Oligoglycine) weisen eine höhere Stabilität gegenüber einem enzymatischen Abbau auf als Peptide. Diese Oligoglycine, bei denen im Vergleich zu herkömmlichen Peptiden die Seitenketten formal vom α-C-Atom auf das benachbarte Stickstoffatom verschoben wurden, weisen ähnliche gute Transporteigenschaften auf. Die Peptoide lassen sich an der festen Phase in nahezu beliebiger Zusammensetzung herstellen. Durch einfache Reaktionen lassen sich fluoreszierende Gruppen (Cargos) an die Peptoide binden. Mit diesen Modellsystemen lässt sich der Transport der Peptoide ins Innere der Zellen durch fluoreszenzmikroskopische Verfahren leicht verfolgen.

Abbildung 3: Einige „Cargos“: Fluoreszenzfarbstoffe  

Abbildung 3: Rhodamin B als "Cargo".

Unser Ansatz besteht darin, verschiedene Peptoidtransporter zu synthetisieren, die bestimmte Zellen, Zellkompartimente oder Organe adressieren können. Um den Aufnahmemechanismus zu studieren, wurden verschiedene Oligoglycine mit Fluorezenzfarbstoffen verknüpft. Somit lässt sich die Aufnahme einzelner Moleküle verfolgen, um neue Erkenntnisse über diesen bisher unverstandenen Vorgang zu gewinnen.

Abbildung 4: Peptoid-Transporter 

Abbildung 4: Peptoid-Transporter.

 

Organische Leuchtdioden und Organische Solarzellen

„Metalle leiten elektrischen Strom, organische Moleküle sind dagegen Isolatoren“, so lernt es noch heute jedes Kind im Physikunterricht. Ein Irrtum, denn schon seit den 1960er Jahren ist bekannt, dass auch organische Moleküle nach geeigneter Aufbereitung wie Galliumarsenid und anderen anorganische Halbleiter bei Anregung durch eine elektrische Spannung Licht aus Strom erzeugen können. Eines der ersten Beispiele war die Elektroluminezenz von Anthraceneinkristallen, die 1963 erstmalig beschrieben wurde.

Längst werden organische Stoffe auch für andere Halbleiteranwendungen wie Sensoren, Organischen Solarzellen, Laserresonatoren und selbst als Leiter in Organischen Feldeffekt-Transistoren eingesetzt.

Abbildung 5: Organische Halbleiter vereinen alle nützlichen Funktionalitäten konventioneller Halbleiter mit den Eigenschaften organischer Materie 

Abbildung 5: Organische Halbleiter vereinen alle nützlichen Funktionalitäten konventioneller Halbleiter mit den Eigenschaften organischer Materie

Der große Vorteil von organischen Molekülen als Halbleitern liegt in der Verarbeitbarkeit und der Varianz: Mit modularen Systemen lassen sich etwas in Organischen Leuchtdioden (OLEDs) viele Farben darstellen, außerdem lassen sich organische Stoffe sowohl durch Verdampfungsverfahren (Vakuumdeposition) als auch aus flüssiger Phase (Beschichtungsverfahren wie Rakeln, Druckprozesse wie Inkjet-Printing) verarbeiten. OLEDs sind im Gegensatz zu konventionellen LEDs kein Punktstrahler, sondern Flächenstrahler, da sich nicht nur einkristalline Devices, sondern großflächige Schichtstrukturen darstellen lassen.

Abbildung 6: Ein und mehrkernige Metallkomplexe mit Metallen des d-Blocks eignen sich zum Einsatz in OLEDs 

Abbildung 6: Ein und mehrkernige Metallkomplexe mit Metallen des d-Blocks eignen sich zum Einsatz in OLEDs.

Im AK Bräse wird an metallorganischen Verbindungen der frühen d-Block-Metalle gearbeitet, die in Organischen Leuchtdioden zum Einsatz kommen können. Die ein- und mehrkernigen Verbindungen kommen ohne das heute oft verwendete, aber teure und sehr seltene Metall Iridium aus und basieren stattdessen auf gut verfügbaren Metallen wie Zink und Kupfer. Durch entsprechende Liganden lassen sich auch mit derartigen Systemen sehr effiziente Systeme für OLEDs darstellen, die puncto Effizienz hinter den bisher standardmäßig verwendeten Iridiumkomplexen nicht zurückstehen.

Abbildung 7: Mit einfachen, modularen Systemen lassen sich nahezu alle Farben des sichtbaren Spektrums mit Metallkomplexen abdecken 

Abbildung 7: Mit einfachen, modularen Systemen lassen sich nahezu alle Farben des sichtbaren Spektrums mit Metallkomplexen abdecken.

Außerdem wird in der Gruppe an Materialsystemen für Organische Solarzellen (OSC) gearbeitet. Während OLEDs inzwischen in Nischen bis zur kommerziellen Reife entwickelt wurden, steht bei OSC bis auf einzelne Anwendungen, die eher den Charakter von Messedemonstratoren als den Anspruch, ernsthafte Alternativen zur günstigen Energieerzeugung zu sein aufweisen, diese noch aus. Aufgrund einer schlechten Kontrolle der Morphologie in den Bauteilen, werden noch keine mit Siliziumsolarzellen vergleichbaren Effizienzen erzielt. Durch Selbstorganisationskonzepte auf Basis von Fullerenchemie und anderen Systemen kann eine bessere Performance erzielt werden. Schon jetzt zeigen Organische Solarzellen Vorteile gegenüber konventionellen Solarzellen, weil diese auf transparenten Plastiksubstraten prozessiert werden können.

Abbildung 8: OLEDs und Organische Solarzellen lassen sich in Lösemitteln auflösen und so auf beliebigen Substraten verarbeiten: Glas, Aluminiumfolien und selbst flexible Kunststofffolien sind möglich

Abbildung 8: OLEDs und Organische Solarzellen lassen sich in Lösemitteln auflösen und so auf beliebigen Substraten verarbeiten: Glas, Aluminiumfolien und selbst flexible Kunststofffolien sind möglich.

Literatur

[1] Birgit Rudat, Esther Birtalan, Isabelle Thomé, Dominik K. Kölmel, Viviana L. Horhoiu, Matthias D. Wissert, Uli Lemmer, Hans-Jürgen Eisler, Teodor Silviu Balaban, Stefan Bräse Philippe Pierrat, Céline Réthoré, Thierry Muller, Stefan Bräse. “Novel Pyridinium Dyes That Enable Investigations of Peptoids at the Single-Molecule Level”, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 13473–13480. 

[2] Birgit Rudat, Esther Birtalan, Sidonie B. L. Vollrath, Daniel Fritz, Dominik K. Kölmel, Martin Nieger, Ute Schepers, Klaus Müllen, Hans-Jürgen Eisler, Uli Lemmer, Stefan Bräse “Photophysical properties of uorescently-labeled peptoids”, Eur. J. Med. Chem. 2011, 46, 4457-4465.

[3] Esther Birtalan, Birgit Rudat, Dominik K. Kölmel, Daniel Fritz, Sidonie B. L. Vollrath, Ute Schepers, Stefan Bräse, “Investigating Rhodamine B-Labeled Peptoids: Scopes and Limitations of Its Applications” Biopolymers (Pept. Sci.) 2011, 96, 694-701.

Mitglieder

Dominik Kölmel
Daniel Volz

Frühere Mitglieder

Birgit Rudat