Leitartikel

Seit diesem Sommer liegen die Spielregeln für die nächste Runde der Exzellenzinitiative auf dem Tisch. Viele Universitäten schmieden Pläne, um sich einen Exzellenzcluster zu sichern oder gar zu den elf Exzellenzuniversitäten zu gehören, welche jährlich 10 bis 15 Millionen Euro erhalten werden. Vielleicht suchen sie auch nach strategisch günstigen Partnerschaften; in manchen Fällen werden diese wohl – wie einst in den europäischen Königshäusern – eher Vernunftehen statt Liebesheiraten sein.Doch ihre Pläne dürfen die deutschen Universitäten nicht darüber hinwegtäuschen, dass es bei ihrer Zukunft um mehr geht als um die rund 530 Millionen Euro pro Jahr – sie sind ohnehin nur ein Tropfen auf dem heißen Stein für die Universitäten, deren Finanzen während der letzten 20 Jahren mit dem Wachstum der Studierendenzahlen nicht Schritt gehalten haben. Die Exzellenz-Millionen mögen für die Gewinner zwar eine gewisse Linderung der Not bedeuten, aber darüber sollten sie – und erst recht die Mehrheit der leer Ausgegangenen – die eigentliche Zukunftsaufgabe nicht aus den Augen verlieren.Das deutsche Universitätssystem braucht dringend einen Prozess der horizontalen und vertikalen Differenzierung. Horizontale Differenzierung meint die Stärkung gewisser Fachgebiete durch Verzicht auf andere, welche dafür andernorts verstärkt werden können. Es fällt auch den Universitäten, die immer ihren Status als Volluniversitäten betonen, kein Stein aus der Krone, wenn sie im sich ständig weiter verästelnden Fächerkanon die eine oder andere Unterdisziplin an eine andere Universität weitergeben und dafür umgekehrt andere Richtungen zugunsten verbesserter Qualität stärken können. Man verzeihe mir den Vergleich: Auch ein Zoo, und sei er noch so berühmt, kann nicht alle Arten dieser Welt modern und tiergerecht halten, sondern konzentriert sich auf Schwerpunkte.Vertikale Differenzierung ist nötig in einem Land, in dem die Quote der Studienanfänger in den letzten 30 Jahren von rund 20 auf deutlich über 50 Prozent gestiegen ist. Die Idee einer homogenen, im Humboldt‘schen Geist Lehre und Forschung vereinigenden Universitätslandschaft ist hier weder wünschenswert noch sinnvoll. In anderen Ländern ist nichts Negatives dabei, wenn die einen Universitäten sich mehr an eine breite Kundschaft richten, die eine praxisnahe Berufsausbildung sucht, während andere primär auf eine künftige Forscherlaufbahn vorbereiten und daher die Lehre eng an die Forschung koppeln. In beiden Fällen lassen sich die jeweils verschiedenen Ziele mit höchster Qualität verfolgen, aber die Voraussetzungen dafür – etwa beim Betreuungsverhältnis – sind unterschiedlich.Die Exzellenzinitiative bedeutet zwar einen ersten enttabuisierenden Schritt in Richtung dieser Differenzierung, aber die Politik hat ihn erst halbherzig internalisiert. Kapazitätsverordnungen und Finanzierungsmodelle, die auf Studierendenzahlen basieren, behindern den Differenzierungsprozess genauso wie die überholte Vorstellung, jedes Bundesland müsse sozusagen seine eigene souveräne Universitätslandschaft verteidigen und könne nicht auf ein bestimmtes Fach verzichten, auch wenn dieses in bester Qualität im Nachbarland gepflegt wird. Es muss jeder Universität – ohne finanzielle Einbuße – freigestellt sein zu entscheiden, wie hoch sie die Latte ihrer Anforderungen hängen und wie streng sie ihre Prüfungsanforderungen gestalten will.Als föderalistischer Schweizer würde ich nie die Bildungshoheit der Länder in Frage stellen wollen. Doch diese Hoheit schließt Zusammenarbeit (und Konkurrenz) unter den Ländern nicht aus. Nicht jedes Land braucht seine eigene Streichholzfabrik, um seine Souveränität zu beweisen.Beide Teile sind künftig gefordert: Die Politik muss die Hochschulautonomie ernst nehmen und Freiräume bieten für die Entwicklung unterschiedlicher Hochschulmodelle. Und die Universitäten sollen mehr Mut zeigen und diese Autonomie nutzen.Dieter Imboden, emeritierter Professor für Umweltphysik an der ETH Zürich, Leiter der Internationalen Expertenkommission zur Evaluation der Exzellenzinitiative<div><img src="https://media.graphcms.com/g6Mse2wfTRiG1BcDnHWF">

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Meinungsbeitrag

Die größte Aufgabe kommt noch

Seit diesem Sommer liegen die Spielregeln für die nächste Runde der Exzellenzinitiative auf dem Tisch. Viele Universitäten schmieden Pläne, um sich einen Exzellenzcluster zu sichern oder gar zu den elf Exzellenzuniversitäten zu gehören, welche jährlich 10 bis 15 Millionen Euro erhalten werden. Vi...

Wissenschaft & Forschung

Prof.Dr.

Der Nobelpreis für Chemie geht in diesem Jahr an Bernard L. Feringa, Jean-Pierre Sauvage und James Fraser Stoddart. Sie haben die Grundlagen für die Konstruktion molekularer Maschinen gelegt und die ersten Prototypen synthetisiert.
Fast alle technischen Funktionen in der makroskopischen Welt, etwa Transport durch Pumpen und Fahrzeuge, Umwandlung von Energie in Arbeit, Konstruktion und Montage von Bauelementen, Informationsverarbeitung und -speicherung verwirklicht die belebte Natur seit mehr als einer Milliarde Jahren auf molekularer Ebene. Letztlich beruht die Funktion des Lebens auf dem komplexen Zusammenspiel molekularer Maschinen, die durch chemische Energiequellen angetrieben werden.In einigen Aspekten unterscheiden sich allerdings die molekulare und die makroskopisch-technische Welt: Während ein Ingenieur seine Bauteile am Computer maßschneidert und mit Werkzeugmaschinen passend fertigt, lassen sich molekulare Maschinen nur mit den Bauelementen herstellen, die uns die Natur vorgibt. Radien, Bindungen und Bindungswinkel der Elemente definieren die Maße. Nur durch geschickte Kombination der Teile lässt sich gezielt konstruieren.Noch tiefer geht der Unterschied zwischen der Nanowelt der Chemie und unserer Alltagstechnik in der Fertigung selbst. Anders als die Natur besitzen Chemiker bislang noch keine molekularen Roboter, welche die Bauteile Stück für Stück zusammensetzen. Die Information zur Montage muss der Chemiker in die Bauteile selbst implementieren. Einem guten Chemiker gelingt es, die Reaktivitäten der Komponenten so aufeinander abzustimmen, dass sie sich durch kovalente Bindungen wie gewünscht zusammensetzen. Moleküle herzustellen, steht seit jeher im Mittelpunkt der Chemie, und Methoden, die das Repertoire der chemischen Synthese ergänzen, wurden mehrfach mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die Synthesekunst ist so weit fortgeschritten, dass sich – mit entsprechendem Aufwand – heute praktisch jedes stabile Molekül herstellen lässt.<h2>Mechanische Bindungen</h2>Zunehmend steht nicht mehr die konkrete Zielstruktur eines Moleküls im Vordergrund der chemischen Forschung, sondern seine Funktion. Letztlich ist es gleich, wie die Struktur aussieht, wichtig ist die Eigenschaft. Funktionen rational zu planen, erfordert ein radikales Umdenken bei der Vorgehensweise. Maschinenähnliche Funktionen setzen bewegliche Teile voraus, kompliziertere Maschinen beruhen auf dem Zusammenspiel vieler dynamischer Komponenten. Mit starren, kovalenten Bindungen ist das nicht zu erreichen. Hier setzt die Forschung von Jean-Pierre Sauvage, James Fraser Stoddart und Ben L. Feringa an.Eine kontrollierte relative Beweglichkeit zweier Komponenten zueinander erreicht man am einfachsten durch mechanisches Verzahnen. In der Chemie gibt es dafür zwei Möglichkeiten: die Rotaxane und die Catenane. In Catenanen sind Ringe miteinander verkettet; Rotaxane bestehen aus einer linearen Komponente, die in einem Ring steckt und durch voluminöse Stopper daran gehindert wird herauszurutschen. Was sich in der makroskopischen Welt so einfach realisieren lässt, ist auf molekularer Ebene alles andere als trivial.Lüttringhaus et al. legten im Jahr 1958 als erste theoretisch dar, wie man zwei molekulare Ringe zu Catenanen verkettet. Sechs Jahre später gelang dies Lüttringhaus und Schill auch praktisch (Abbildung 1).1) Schill war zudem der erste, der ein Rotaxan rational hergestellt hat.2) Die Synthesen sind genial, aber aufwendig, sodass Rotaxane und Catenane über Jahre Laboratoriumskuriositäten blieben. Die Situation änderte sich, als Sauvage im Jahr 1983 die templatgestützte Catenansynthese einführte.3) Dabei werden die Vorläufer der beiden Ringe zunächst an einem tetraedrischen Metallkomplex fixiert. Stoddart nutzte die Wechselwirkungen zwischen elektronenreichen und elektronenarmen Aromaten, um molekulare Stränge durch Makrocyclen zu fädeln.4) Damit waren nun nicht nur einfach verschlungene Ringe herstellbar, sondern auch topologisch komplexere Gebilde wie Kleeblattknoten und Borromäische Ringe (Abbildung 2) sowie Catenane in Polymerketten. Die Beispiele zeigen, welche topologische Komplexität mittlerweile chemisch beherrschbar geworden ist.<figure><img src="https://media.graphcms.com/OHETjQtNRe6fwWuopUGq"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Rotaxan-Synthese nach Lüttringhaus und Schill sowie nach Sauvage.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/wdtNJO7RS4dMuuPw70WQ"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Borromäische Ringe.</figcaption></figure>
Die Kreativität und Weitsicht Jean-Pierre Sauvages und James Fraser Stoddarts zeigt sich noch deutlicher in der nächsten Stufe der Entwicklung: Basierend auf mechanischen Bindungen konstruierte Stoddart einen molekularen Shuttle, also ein Rotaxan, dessen Ring abhängig vom pH-Wert zwischen zwei Stationen hin- und herfährt. Sauvage konstruierte Catenane, deren Ringe sich durch Reduktion und Oxidation jeweils in eine bestimmte Richtung drehen lassen. Damit hatten sie die ersten auf mechanischen Bindungen beruhenden molekularen Maschinen gebaut, und eine atemberaubende Entwicklung war in Gang gesetzt. Es folgten molekulare Muskeln, Aufzüge und lineare Motoren, die in der Lage waren, Arbeit zu verrichten.<h2>Molekulare Motoren</h2>Während über die letzten 30 Jahre Rotaxan- und Catenan-Maschinen stetig entwickelt wurden, kam die Publikation über den ersten lichtgetriebenen molekularen Motor von Ben Feringa im Jahr 1999 völlig überraschend.5) Obwohl Maschinen in der Regel von Motoren angetrieben werden, fehlte das Bauteil Motor bislang in der Sammlung der molekularen Konstruktionselemente.Molekulare Rotoren gibt es in fast jedem organischen Molekül. Alkylgruppen drehen sich bei Raumtemperatur mit einer Frequenz von bis zu 100 MHz um C-C-Einfachbindungen. Die Drehrichtung ist allerdings zufällig und lässt sich nicht nutzen, um Arbeit zu verrichten. Um eine Drehung in eine definierte Richtung zu bewirken, muss dem Motor Energie zugeführt werden. Im Fall des Feringa-Motors ist dies Licht. Eine weitere Voraussetzung für gerichtete Bewegung ist, dass vier diskrete Zwischenschritte pro Umdrehung erreicht werden, etwa zwei Schaltprozesse. Im Feringa-Motor sind dies die vier Produkte der beiden photochemischen und thermischen Reaktionen: Zwei photochemische cis-trans-Isomerisierungen induzieren die Drehung, jeweils gefolgt von einer thermischen Umwandlung, sodass sich insgesamt eine 360°-Drehung ergibt.Im ersten Motor waren die thermischen Prozesse noch so langsam, dass sich die stabilen Zwischenstufen komplett charakterisieren und der Mechanismus eindeutig beweisen ließen. Durch verbessertes Moleküldesign hat Feringa die Drehzahl des Motors mittlerweile auf über 12 MHz gesteigert.Die Möglichkeiten, molekulare Motoren einzusetzen, sind nur durch die Phantasie begrenzt. Eindrucksvoll sind die makroskopischen Effekte, die man mit den winzigen Molekülen erreicht: Eine Flüssigkeitskristallmatrix mit nur einem Prozent chiralem Motor nimmt dessen Chiralität an und verstärkt so die molekulare Bewegung. Durch Belichten dreht sich ein kleiner Glasstab, der auf der Matrix aufliegt.Wenn man einen Motor zur Hand hat, liegt es nahe, ein Auto zu bauen, so wie es im Jahr 1950 Richard Feynmann vorschlug. Die Arbeitsgruppe Feringa befestigte vier molekulare Motoren an einem aromatischen Chassis und trieb dieses Fahrzeug mit Strom aus einer STM-Spitze auf einer Goldoberfläche an (Abbildung 3, S.1047).<figure><img src="https://media.graphcms.com/FBwclQgRHi61GEXSLxbq"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Nanoauto der Arbeitsgruppe Feringa. Vier molekulare Motoren sind an einem aromatischen Chassis befestigt, Strom aus einer STM-Spitze auf einer Goldoberfläche treibt das Fahrzeug an.</figcaption></figure>
<h2>Miniaturisierung</h2>Die Miniaturisierung hat in vielen Bereichen der Technik die Effizienz gesteigert. Prominentestes Beispiel ist die Mikroelektronik. Microchips werden mit steigender Integrationsdichte schneller und brauchen weniger Energie.Die molekulare Nanotechnik geht über eine reine Leistungssteigerung weit hinaus. Sie ermöglicht neue Anwendungen. Größe und Funktionsprinzip der molekularen Bauelemente sind kompatibel mit biochemischen Systemen, die ersten Hybridsysteme gibt es bereits. Autonome Systeme, die Wirkstoffe am Krankheitsherd freisetzen, werden entwickelt, und künstliche Flimmerepithele – also Oberflächen mit Flimmerhärchen, die Licht antreibt – zur aktiven Fortbewegung sind in Reichweite.6)Im Vergleich zur industriellen Revolution im neunzehnten Jahrhundert stehen wir mit der Entwicklung molekularer Maschinen noch am Anfang, und es ist schwer vorherzusagen, welche Anwendungen die Forschung liefern wird. Die Ingenieure, die Anfang des neunzehnten Jahrhunderts mit den ersten primitiven Elektromotoren experimentierten, konnten sich damals kaum vorstellen, dass diese eines Tages Autos, Waschmaschinen oder Fertigungsroboter antreiben würden.Wir stehen am Anfang einer technischen Umwälzung, die in diesem Fall von der Chemie ausgeht. Der Nobelpreis 2016 wurde an die Begründer dieser Entwicklung vergeben. Alle drei Preisträger sind Vollblutchemiker, die nicht nur visionäre Ideen haben, sondern auch geniale Synthetiker sind – denn wer die chemische Synthese nicht beherrscht, kann auch keine molekularen Maschinen bauen.Rainer Herges ist Lehrstuhlinhaber für organische Chemie an der Universität Kiel und seit dem Jahr 2007 Sprecher des SFB 677 „Funktion durch Schalten“. Seine Arbeitsgruppe entwickelt und synthetisiert molekulare Schalter und Maschinen zur Anwendung in intelligenten Materialien, Pharmakologie und Diagnostik.<figure><img src="https://media.graphcms.com/dXZmi8n1TTikN6pdYa8N"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Bernard L. Feringa. <named-content>Foto: Universität Groningen</named-content></figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/EPNrayQqQaGk6y6yafBB"><figcaption><label>Abb. 5: </label>Jean-Pierre Sauvage.</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/Dl3exHolTUymgJz4EgDe"><figcaption><label>Abb. 6: </label>James Fraser Stoddart. <named-content>Foto: Jim Prishching</named-content></figcaption></figure>
<h2>Nobelpreis für Medizin: Müllabfuhr der Zellen</h2>Was Müll ist, muss weg – etwa ein falsch gefaltetes Protein. Zellen von Menschen, Tieren, Pflanzen und Hefen nutzen dazu Autophagie oder Autophagozytose (aus dem Griechischen für „sich selbst verzehren“): Sie bauen ihre eigenen Bestandteile ab und verwerten diese wieder. Für seine Entdeckungen zur Autophagie erhält in diesem Jahr der Japaner Yoshinori Osumi den Nobelpreis für Medizin. Er klärte zunächst an Hefe-, später auch an Säugerzellen, welche Erbanlagen die Autophagie steuern. Sind diese verändert, beeinflusst das auch die Autophagie – Krankheiten wie Krebs, Alzheimer oder Parkinson entstehen. Sind die molekularen Vorgänge der Autophagie verstanden, lassen sich wahrscheinlich bessere Medikamente entwickeln, meinen Wissenschaftler.Osumi wurde im Jahr 1945 in Japan geboren und promovierte 1974 in Tokio. Während des Studiums wechselte er von der Chemie zur Molekularbiologie. Heute ist er Professor am Tokyo Institute of Technology in Tokio.Illustration: schinsilord, Fotolia<h2>Nobelpreis für Physik: Topologie ist die Lösung</h2>Die Topologie ist eine Teildisziplin der Mathematik. Sie beschreibt geometrische Eigenschaften, die sich nicht kontinuierlich, zum Beispiel durch Verzerren, sondern in einem einzigen Schritt ändern.In diesem Jahr geht der Physik-Nobelpreis an drei britische Forscher: David Thouless, Duncan Haldane und Michael Kosterlitz.Indem sie mathematische Konzepte auf physikalische Phänomene anwandten, machten sie exotische Materiezustände und Quantenphänomene auf Oberflächen verständlich. Bereits in den 1970er und 1980er Jahren erklärten sie anhand topologischer Konzepte, wie und warum extrem dünne Materialschichten von einem topologischen Zustand in den anderen wechseln. Anders als bei klassischen Zustandsänderungen ändern sich bei topologischen Phasenübergängen eines zweidimensionalen Systems die Symmetrieeigenschaften nicht (auch in der Abbildung sind alle drei Gegenstände topologisch äquivalent). Solche Übergänge treten zum Beispiel in Supraleitern auf. Mit ihren Arbeiten lieferten die Physiker unter anderem eine Erklärung für den Quanten-Hall-Effekt, der im Jahr 1985 entdeckt wurde. Alle drei Physiker arbeiten in den USA.Thouless ist im Jahr 1934 in Schottland geboren und ist emeritierter Professor der University of Washington in Seattle. Der Engländer Haldane, Jahrgang 1951, forscht in theoretischer Festkörperphysik an der Universität Princeton. Der ebenfalls aus Schottland stammende Physiker Kosterlitz wurde 1942 geboren und arbeitet heute an der Brown University, Rhode Island.<figure><img src="https://media.graphcms.com/UEy7cAkTPus4PZ3aPKAC"><figcaption><label>Abb. 7: </label>Nanoauto der Gruppe Feringa. <named-content>Quelle: Universität Groningen</named-content></figcaption></figure>

<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 G. Schill, A. Lüttringhaus, Angew. Chem. 1964, 76, 567.</li><li>
2 G. Schill, Z. Zollenkopf, Nachr. Chem. Tech. 1967, 15, 149.</li><li>
3 C. O. Dietrich-Buchecker, J.-P. Sauvage, J.-P. Kintzinger, Tetrahedron Lett. 1983, 24, 5095</li><li>
4 P. R. Ashton et al., Angew. Chem. 1989, 101, 1404 – 1408</li><li>
5 N. Koumura, R. W. J. Zijlstra, R. A. van Delden, N. Harada, B. L. Feringa, Nature 1999, 401, 152–155.</li><li>
6 T. Tellkamp, J. Shen, Y. Okamoto, R. Herges, Eur. J. Chem. 2014, 5456.</li></ul>

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