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3. Dezember 2003

Eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts

Die Forschung über molekulare Katalysatoren ist ein zentrales Feld der Heidelberger Chemie – Sonderforschungsbereich 623 eingerichtet

Als im Sommer 2003 das zweite "Heidelberg Forum of Molecular Catalysis" stattfand, wurde wieder einmal deutlich, welche Bedeutung der Katalyseforschung inzwischen zukommt – und künftig noch zukommen wird. Immerhin setzten alle führenden Industrienationen die Katalyse auf die Liste der wichtigsten Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert. Bedenkt man, dass beispielsweise in der chemischen Industrie bei mindestens 80 Prozent aller Produkte an irgendeiner Stelle ihres Herstellungsprozesses Katalysatoren eine Rolle spielen, wird diese Entscheidung durchaus verständlich.

Beispiel Schadstoff-Katalyator

"Als Katalysatoren bezeichnet man grundsätzlich all jene Stoffe, die eine chemische Reaktion begünstigen oder beschleunigen, ohne selbst dabei verbraucht zu werden", erklärt Prof. Peter Hofmann hierzu. Als ein in der Öffentlichkeit recht bekanntes Beispiel nennt er den Schadstoff-Kat, der sich längst im Automobilbau durchgesetzt hat. "Die Forschung über molekulare Katalysatoren ist ein zentrales Feld der Heidelberger Chemie. Hier geht es um katalytisch wirksame Einzelmoleküle, die vom Chemiker oder von der Natur dafür maßgeschneidert sind, um als hocheffiziente ‚Synthesemaschinen' von atomarer Größenordnung gezielt andere Moleküle zusammenzufügen, zu zerlegen oder umzubauen, und so unter optimaler Nutzung der Energie- und Rohstoffressourcen neue Substanzen, wie etwa Wirkstoffe für die Therapie von Krankheiten oder innovative Werkstoffe und Materialien liefern. Dabei kann ein einzelnes Katalysatormolekül Tausende anderer Moleküle in Sekundenschnelle umwandeln", erläutert der Direktor des Organisch-Chemischen Instituts an der Heidelberger Universität und Initiator des "Heidelberg Forum of Molecular Catalysis".

Das international hochkarätig besetzte Symposium war indes eine gemeinsame Veranstaltung der Universität und des Sonderforschungsbereiches 623 "Molekulare Katalysatoren: Struktur und Funktionsdesign", der im vergangenen Jahr von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in der Heidelberger Chemie eingerichtet wurde und dessen Sprecher Hofmann ist. Dieser Sonderforschungsbereich (SFB) widmet sich der breit und interdisziplinär angelegten, molekülchemisch orientierten Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Katalyse. "Wir setzen hierbei vor allem auf die Bündelung der Arbeit aller etwa 20 beteiligten Gruppen in den verschiedenen Instituten und auf modernste experimentelle und theoretische Methodik", erklärt Peter Hofmann hierzu. "Vorrangiges Ziel ist es, die Baupläne und Funktionsweisen molekularer Katalysatoren zu ergründen und zu verstehen – und letztlich Katalysatoren zu ‚bauen', die als kleine molekulare Werkzeuge auf ganz spezifische Anwendungen maßgeschneidert sind."

Zwar betreibt der Sonderforschungsbereich vor allem reine Grundlagenforschung. Doch zeichnen sich schon jetzt diverse neue Einsatzmöglichkeiten ab. Vor allem die chemische Industrie ist an neuen oder verbesserten Katalysatoren interessiert – und an deren Einsatz auch in großvolumigen Prozessen. So könnten künftig mit geeigneten Katalysatoren einmal Erdöl und Erdgas, die natürlichen Ressourcen der industriellen organischen Chemie, noch effizienter und energiesparender mit Hilfe von Katalysatoren veredelt und viel gezielter in Wertstoffe umgewandelt werden, als dies heute möglich ist.

Ebenfalls an der Veredelung von Rohstoffen auf Erdölbasis interessiert ist der diesjährige Preisträger des ‚BASF Catalysis Award 2003', der im Rahmen des Heidelberger Katalyseforums an Dr. Stefan Mecking verliehen wurde. Der am Materialforschungszentrum und Institut für Makromolekulare Chemie der Universität Freiburg tätige Wissenschaftler erhielt die mit 10000 Euro dotierte Auszeichnung für die Entwicklung von Katalysatoren und katalytischen Verfahren, die es erlauben, aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie Ethylen oder Propylen neuartige Kunststoffe herzustellen. An und für sich scheint dies keine spektakuläre Neuerung zu sein. Indes gelang es Stefan Mecking, die sonst üblichen organischen Lösungsmittel, die hierzu häufig verwendet werden, durch Wasser zu ersetzen. Solch eine Herstellung von Polymeren, die dann als Nanoteilchen fein verteilt in wässriger Lösung entstehen, schont nicht nur die Umwelt, sondern spart auch Kosten und führt zu neuen Eigenschaften und Verwendungsmöglichkeiten der Kunststoffe. Es war die BASF, die das Heidelberger Katalyseforum als großzügiger Sponsor erst ermöglichte. Darüber hinaus engagiert sich der Konzern direkt im Sonderforschungsbereich 623 und half in jüngster Zeit bei der Finanzierung teurer Großgeräte.

"Weitere Entwicklungen und Forschungsansätze in Heidelberg zielen jedoch nicht nur auf die industrielle Chemie und deren katalytische Prozesse ab, sondern befassen sich auch mit biologischen Vorgängen", erklärt Prof. Hofmann. "Denn letztlich sind ja auch Enzyme im lebenden Organismus nichts anderes als Eiweißmoleküle, die aus Aminosäuren aufgebaut werden und als molekulare Katalysatoren im Verlauf der Evolution von der Natur in ihrer Funktion optimiert worden sind. Insofern denke ich, dass künftig einmal künstliche Pendants oder für spezielle Zwecke gezielt abgewandelte Varianten von Biokatalysatoren neuartige Funktionen in der technischen oder auch der medizinischen Anwendung übernehmen könnten", ist sich der Heidelberger Wissenschaftler sicher.

Neue Anwendungsmöglichkeiten

Zudem könnten hier aus dem genauen Verständnis, wie Katalysatoren auf der molekularen Ebene arbeiten, Anwendungsmöglichkeiten entstehen, an die wir heute noch nicht einmal denken. "Ich finde, dass Fördergelder, die in den Sonderforschungsbereich oder das Katalyseforum fließen, gut angelegt sind. Und das nicht nur, weil die herausragende Stellung des Wissenschaftsstandortes Heidelberg gestärkt wird." Wie wichtig dieser Bereich sein könnte, wird sicherlich auch das dritte "Heidelberg Forum of Molecular Catalysis" zeigen, das 2005 stattfinden wird. SFB 623 im Internet: www.sfb623.uni-hd.de

Heiko P. Wacker

Rückfragen bitte an
Dr. Michael Schwarz
Pressesprecher der Universität Heidelberg
Tel. 06221 542310, Fax 542317
michael.schwarz@rektorat.uni-heidelberg.de
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und
Irene Thewalt
Pressestelle der Universität
Tel. 542311
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