Karlsruhe School of Optics and Photonics (KSOP)

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. Die Karlsruhe School of Optics and Photonics (KSOP) bietet ein multidisziplinäres Umfeld für erstklassige Forschung und Ausbildung sowie für die Generierung von Wissen und Innovation in Optik und Photonik. Die Forschungsaktivitäten der KSOP decken ein breites Spektrum von Themen innerhalb von fünf Forschungsbereichen ab:

Bereich I: Photonische Materialien und Bauelemente

Bereich II: Quantenoptik & Spektroskopie

Bereich III: Biomedizinische Photonik

Bereich IV: Optische Systeme

Bereich V: Solarenergie

Die KSOP umfasst sowohl Master- als auch Doktorandenprogramme und derzeit Professoren aus vier verschiedenen Fakultäten des KIT, nämlich Physik, Elektrotechnik und Maschinenbau sowie Chemie und Biowissenschaften. Mittlerweile sind fast 800 Masterstudenten, Doktoranden und Alumni aus 40 verschiedenen Ländern an der KSOP beteiligt. Daneben verfügt die KSOP über eine starke Kooperationsförderung durch das europäische Erasmus-Mundus-Programm, die deutsche O&P Industrie, das Bundesministerium für Forschung und Bildung und nachhaltig durch das Land Baden-Würrtemberg.

Das KSOP Ausbildungsprinzip iist darauf ausgerichtet, unsere Absolventen für eine beschleunigte Karriere an weltweit führenden akademischen Institutionen und in der Hochtechnologiebranche zu qualifizieren. Wir fördern aktiv die Promotion unserer Doktorandinnen und Doktoranden durch engagierte Betreuung, Mentoring, Vernetzung sowie wissenschaftliche und technische Ausbildung. Gleichzeitig erweitern wir die beruflichen Fähigkeiten unserer Absolventen durch maßgeschneiderte Personal- und Managementschulungen. Eine starke Säule des KSOP-Konzepts ist die individuelle Betreuung der Doktorandinnen und Doktoranden durch einen Mentor pro Forschungsbereich.

Module während der Promotion:

Management Module

Technische Module

Wissenschaftliche Module

MBA Fundamentals (optional)

Im Jahr 2011 trat der Arbeitskreis Bräse der KSOP bei (Forschungsbereich I). Einerseits arbeiten wir an mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Peptoiden, um neue Erkenntnisse über biologische Systeme zu gewinnen. Andererseits ist ein weiterer Schwerpunkt das Design und die Synthese neuer effizienter Materialien für organische Leuchtdioden (OLEDs) und für organische Solarzellen (OSCs).

Weitere Informationen unter www.ksop.de

Aktuelle Mitglieder sind Dr. Jasmin Busch und Lisa-Lou Gracia.

Alumni

Dr. Fabian Hundemer, Dr. Eduard Spuling, Dr. Alena Kalyakina, Dr. Mirella Wawryszyn, Dr. Dominik Kölmel, Dr. Daniel Volz

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