Eliteakademie im akademischen Jahr 2023

Chemie, Materialwissenschaft und Lebensmittelchemie
Für interessierte Schülerinnen und Schüler und gute Studierende

Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft

Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaften  im Rahmen der
School for Talents dient der Förderung der Besten unter den Studierenden der Fakultät 3 sowie der Förderung besonders begabter und motivierter Schülerinnen und Schüler der Klassen 10 und der Oberstufe.

Als abschließendes Highlight im akademischen Jahr 2022:
Feuer und Flamme für Chemie - Experimentalvorlesung zu Gefahrstoffen.

Beitrag im studentischen Blog der Universität Stuttgart:
Als Schüler im Hörsaal - Nathanael begeistert sich für Chemie

Die leistungsstärksten Studierenden eines Jahrgangs werden durch fachbezogene Angebote gefördert, beispielsweise in einer Ringvorlesung von Professoren und führenden Wissenschaftlern der Fakultät, Kooperationspartnern anderer Fakultäten, Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie, und erhalten Unterstützung bei der Auswahl und Beantragung von außeruniversitären und Auslands-Praktika, Stipendien sowie einer aktiven Vermittlung von Forschungspraktika, Industrieexkursionen und Auslandsaufenthalten. Die Ringvorlesung wird im etwa 4-wöchigen Rhythmus stattfinden. Dabei schließt der intensive Diskurs eine grundlegende Einführung in die wissenschaftlichen Themen und deren wirtschaftliche und gesellschaftliche Relevanz ein, gefolgt von einer intensiven Diskussion durch die Teilnehmer. Der anschließende enge soziale Kontakt zwischen Teilnehmerinnen, Teilnehmern, Dozentinnen und Dozenten liefert einen wichtigen Beitrag zur interdisziplinären Verknüpfung. Das Angebot wird durch Industrie- und weitere Exkursionen, die Teilnahme an einer wissenschaftlichen Tagung sowie durch besondere Berücksichtigung der Mitglieder der Eliteakademie zur Teilnahme an Kursen der Ferienakademie Sarntal ergänzt.

Mitgliedern der Eliteakademie wird während des Bachelor-Studiums ein früherer Zugang zu Master-Wahlveranstaltungen ermöglicht. Ergänzend haben die herausragenden Studierenden der Eliteakademie die Möglichkeit, am Fast-Track-Programm teilzunehmen, indem sie während des Masterstudiums verstärkt in Projekte einzelner Forschergruppen eingebunden werden. 

Jedes Jahr werden in den beteiligten Studiengängen bis zu vier Abschlussarbeiten aus dem Kreis der Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Eliteakademie zu einer besonderen Auszeichnung ausgewählt, mit einem Vortrag am Tag der Fakultät besonders hervorgehoben und mit einer Urkunde der Eliteakademie ausgezeichnet.

Auswahlverfahren:
Die Auswahl zur Eliteakademie erfolgt über eine Fakultätsauswahl. In die Eliteakademie werden die jeweils leistungsstärksten Studierenden der Lehrbereiche Chemie und Materialwissenschaften aus den Studiengängen Chemie Bachelor und Master, Lebensmittelchemie Bachelor, Materialwissenschaften Bachelor und Master sowie den Teilstudiengängen Bachelor of Arts Chemie und Master of Education Chemie aufgenommen. Die Auswahl verläuft über Studienfortschritt und Notendurchschnitt.

Besonders begabte Schülerinnen und Schüler nehmen mit den Studierenden zusammen an der Ringvorlesung der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft teil. Außerdem erhalten Sie die Möglichkeit, innerhalb der Fakultät Chemie interessante Praktika durchzuführen sowie an einer wissenschaftlichen Tagung und ausgewählten Exkursionen teilzunehmen. Sie werden weiterhin bei der Teilnahme an Veranstaltungen des Schnupperstudiums inklusive dem Schnupperpraktikum Chemie, Schülerpraktika, dem Frühstudium sowie dem Kontakt und Zugang zu Forschungsgruppenleitern besonders berücksichtigt.

Die Nominierung der Schülerinnen und Schüler erfolgt über die Fachlehrerinnen und Fachlehrer der Schulen, durch welche die Schülerinnen und Schüler die Informationen über die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft erhalten. Die Auswahl der Schülerinnen und Schüler für das Schuljahr 2022/23 ist abgeschlossen.

Flyer zum Download.

Programm Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft, 2022/23

28.10.2022
Prof. Dr. Johannes Kästner, Universität Stuttgart
Astrochemie – Moleküle zwischen den Sternen
18.11.2022
Prof. Dr. Sabine Laschat, Universität Stuttgart
Vom Insektenpanzer zum Baumaterial: Bioinspirierte Werkstoffe aus Chitin
Dezember 2022
Keine Veranstaltung
20.01.2023
Prof. Dr. Blazej Grabowski, Universität Stuttgart
Heiße Themen der Materialwissenschaft: Simulanten am Werk
15.02.2023, 01.03.2023, 07.03.2023 und 08.03.2023
Termine bei Fehling Lab geblockt, Universität Stuttgart
Experimente mit CO2, Titration, Mikrowelle
24.03.2023
Prof. Dr. Thomas Staffel, BK Giulini GmbH Ladenburg
Die Vielseitigkeit von Phosphaten in Natur und Technik, Experimentalvorlesung
21.04.2023
Dr. Désirée Wille, Dr. Robert Larraß, Corporate Analytics - Chemical Analytics, Robert Bosch GmbH, Renningen
Chemie und Materialwissen-schaften @ Bosch, Firmenbesichtigung
13.05.2023
Frau Dr. Susanne Rehn-Taube, Deutsches Museum München
Fachführung Chemie: Der Kernspaltungstisch von Otto Hahn
30.06.2023
Prof. Dr. Ralf Takors, Universität Stuttgart
Bioökonomie - ein wichtiger Pfeiler für die industriellen Produktionsprozesse von morgen
14.07.2023
PD Dr. Ingo Hartenbach, Universität Stuttgart
Experimentalvorlesung (Titel steht noch nicht fest)

Abstracts:

28.10.2022
Astrochemie – Moleküle zwischen Sternen
Prof. Johannes Kästner, Institut für Theoretische Chemie, Universität Stuttgart
Im Weltall entstehen neue Sterne und Planetensysteme aus großen Gas- und Staubwolken. Astronomisch beobachtet man diese Vorgänge nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern auch durch Detektion von Radiowellen oder Infrarotstrahlung. In diesen Wellenlängenbereichen kann man die Rotation und Schwingung von Molekülen messen. Die neuesten Daten erhalten sie dabei vom James-Webb-Weltraumteleskop, das Ende 2021 ins All geschossen wurde. So wurde herausgefunden, dass über 250 verschiedene Moleküle solchen interstellaren Wolken vorkommen. In der Astrochemie untersucht man mit Laborexperimenten und Computersimulationen, wie diese gebildet und zerstört werden und welche dazu führen, dass weniger Planeten gebildet werden.

18.11.2022
Vom Insektenpanzer zum Baumaterial: Bioinspirierte Werkstoffe aus Chitin
Prof. Dr. Sabine Laschat, Institut für Organische Chemie, Universität Stuttgart
Die Verbindung Poly-(N-Acetyl-1,4-β-D-Glucopyranosamin) ist eher unter dem Namen Chitin bekannt und bildet den Hauptbestandteil des Exoskeletts von Insekten, Spinnen- und Krebstieren. Durch Chitin ist ein Insektenpanzer zugleich robust und biegsam. Aus Chitin sollen in einem Forschungsprojekt an der Universität Stuttgart Werkstoffe für Spezialanwendungen im Bauwesen entwickelt werden, um dort beispielsweise den Energieverbrauch nachhaltig zu senken. Sie sind zudem deshalb so interessant, da sie hydrophob sind und damit resistent gegen Schimmel. Durch chemische Modifikation können Chitin-basierte Werkstoffe feuerfest werden und sind zudem kompostierbar.

20.01.2023
Heiße Themen der Materialwissenschaft: Simulanten am Werk
Prof. Dr. Blazej Grabowski, Institut für Materialwissenschaft, Universität Stuttgart
Maßgeschneiderte Materialien spielen in allen innovativen Technologien eine Schlüsselrolle. Ein Fortschritt in gesellschaftlich-relevanten Anwendungsfeldern (z.B. Batterien, Leichtbau, Photovoltaik) erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Materialien bis hin zu den allerkleinsten Skalen, bis hin zu den Atomen und Elektronen. In der modernen Materialwissenschaft sind zum Aufbau dieses Verständnisses Computersimulationen unentbehrlich geworden. In diesem Vortrag sehen Sie Simulationen von Atomen und können damit verstehen, wie spannende Experimente und Alltagsphänomene erklärt werden. Sie dürfen nicht nur verstehen, Sie dürfen auch selber simulieren. Aber Achtung, es wird heiß!

24.03.2023
Die Vielseitigkeit von Phosphaten in Natur und Technik
Prof. Dr. Thomas Staffel, BK Giulini GmbH Ladenburg
Phosphate begleiten uns durch das gesamte Leben. Koordinierte Bewegungsabläufe wären ohne Phosphate nicht denkbar und das Skelett der meisten Wirbeltiere wird durch das Vorhandensein von Calciumphosphaten zu einer stabilen und regenerationsfähigen Einheit. Bei der Zahnpflege nutzt man Phosphate, die dem Zahnschmelz ähnlich sind. In der Arbeitswelt finden polymere Phosphate sehr vielfältige Anwendungen: Produktionsverfahren werden erleichtert, Produkte des Alltags können sicherer und einfacher verarbeitet werden. Der Vortrag gibt einen Überblick über die Bedeutung der Phosphate im täglichen Leben und veranschaulicht deren Wirkung anhand von einfachen Experimenten.

21.04.2023
Chemie und Materialwissenschaften @ Bosch
14-14.30: Ankunft und Registrierung
14:30-15:00: Begrüßung
15:00-16:30: Touren und Vorträge
16:30-17:30: Abschluss, Diskussionen und Austausch bei Getränken und Snacks

Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft kann an den großen Erfolg im Studienjahr 2021/22 anknüpfen und diesen sogar noch übertreffen. Zur ersten Veranstaltung versammelten sich trotz Bundesfachschaftstagung, Beginn der Herbstferien in Baden-Württemberg und zahlreicher Studienfahrten der Schulen fast 140 TeilnehmerInnen – die besten Studierenden der Fakultät sowie talentierte SchülerInnen aus ganz Baden-Württemberg – im Bunsen-Hörsaal der Universität Stuttgart. Alle waren gespannt, sich von Professor Johannes Kästner vom Institut für Theoretische Chemie der Universität Stuttgart ins Weltall entführen zu lassen, denn Thema der Veranstaltung war „Astrochemie – Moleküle zwischen Sternen“.

Die Astrochemie stützt sich heute auf drei Pfeiler: neben der Beobachtung durch Astronomen, die heute aber selten vor einem Teleskop stehen, sondern Daten eher durch Radioteleskop-Observatorien wie das ALMA in Chile (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) sammeln lassen und am Computer auswerten, kommen als weitere Pfeiler Labor-Experimente sowie Simulationen hinzu. Bei den Labor-Experimenten werden im Hochvakuum einzelne Moleküle aufeinander geschossen und beobachtet, wie diese miteinander reagieren. Für die Simulationen werden große Rechnerkapazitäten benötigt. In Stuttgart ist dies durch den Supercomputer Hawk des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart möglich, den fünftschnellsten Supercomputer innerhalb der EU (Stand Juli 2021).

Im Weltall entstehen neue Sterne und Planetensysteme aus großen Gas- und Staubwolken. Astronomisch beobachtet man diese Vorgänge nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern auch durch Detektion von Radiowellen oder Infrarotstrahlung. In diesen Wellenlängenbereichen kann man die Rotation und Schwingung von Molekülen messen. Die neuesten Daten erhalten die Forscher dabei vom James-Webb-Weltraumteleskop, das Ende 2021 ins All gebracht wurde. So wurden bisher bereits über 250 verschiedene Moleküle in interstellaren Wolken nachgewiesen. Die meisten dieser Moleküle sind nur 2 bis 12 Atome groß. Es wurden aber auch größere Moleküle wie bspw. C60 gefunden. Neben „normalen Molekülen“ gibt auch ungesättigte Verbindungen, Radikale und Ionen. Die häufigsten Moleküle im interstellaren Raum sind allerdings H2, CO und H2O.

Professor Kästner überraschte anschließend mit der Sichtweise von Astronomen auf das Periodensystem: dies konzentriert sich auf deutlich weniger Elemente als ein herkömmliches Periodensystem. Wasserstoff bildet dabei das am häufigsten vorkommende Element gefolgt von Helium. Weiterhin sind in diesem dezimierten Periodensystem noch die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Neon, Magnesium, Silicium, Schwefel, Argon und Eisen zu finden.

Wie können Moleküle im interstellaren Raum aber detektiert werden? Dies geschieht mit spektroskopischen Methoden. Moleküle rotieren in der Gasphase. Da die Rotationsenergien gequantelt sind, können charakteristische Spektrallinien im Mikrowellenbereich der Wellenlänge von 1 mm bis 1 m beobachtet werden. Dies ist aber nur für polare Moleküle möglich. Weitere Analysemethoden sind Schwingungsspektroskopie im Infrarotbereich und elektronische Spektren im sichtbaren und ultravioletten Bereich.

Reaktionen von Molekülen im interstellaren Raum können vor allem auf Oberflächen von Staubpartikeln aus Ruß oder Sand, die von einer Eisschicht überzogen sind, stattfinden. Hier binden die Moleküle an der Oberfläche und können miteinander reagieren. Die Temperaturen in interstellaren Wolken sind aber mit etwa 10 K sehr niedrig und die Teilchendichte ist ebenso sehr gering. Reaktionsgeschwindigkeiten sind bei Temperaturen von 10 K gering. Der Ablauf kann aber durch den Tunneleffekt, mit dem sich auch Professor Kästner in seiner Forschung beschäftigt, ermöglicht werden. Hierbei können Quantenteilchen Energiebarrieren überwinden, die höher sind als ihre eigene Energie. Um diesen Effekt für die TeilnehmerInnen anschaulich zu machen, bediente sich Professor Kästner eines Vergleichs: wenn man einen Ball gegen eine Wand wirft, prallt er ab und fliegt zurück. Nun sollten sich die TeilnehmerInnen vorstellen, dass der Ball so klein wie ein Atom wäre und die Wand den Regeln der Quantenphysik gehorcht. Dann würde der Ball hin und wieder einfach durch die Wand wie durch einen Tunnel hindurchfliegen – nur wann, weiß keiner…
 
Zum Schluss stellte Professor Kästner noch die Frage nach außerirdischem Leben. Es gibt 100 bis 1000 Milliarden Sterne in unserer Galaxie und ebenso viele Galaxien im Universum. Das macht etwa 10 bis 1000 Trilliarden Sterne insgesamt – oder wie der Chemiker sagt: etwa 1 Mol. Wie wir heute wissen, besitzen viele davon ein Planetensystem oft mit Monden, vielleicht sogar die meisten davon. Ist nun auf einem dieser Planeten oder Monde Leben möglich? Auf der Erde finden wir auch in unwirtlichen Gegenden Leben: bei bis zu 90 °C Blaualgen, in der Antarktis bei ca. -20 °C wurden Bakterienkolonien gefunden, Mikroben wachsen auf Salzkristallen in der Wüste und in Black Smokern bei 300 bar und mehr als 400 °C wurden ebenfalls Bakterienkolonien entdeckt. Ob es nun aber auch außerirdisches Leben gibt, darauf hat auch Professor Kästner keine Antwort und überließ dies der Phantasie seiner ZuhörerInnen, die sich rege an der abschließenden Diskussion beteiligten.
 
Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaften bietet den talentierten TeilnehmerInnen auch in den kommenden Monaten ein spannendes und herausforderndes Programm, in dem sie ihre wissenschaftlichen Kompetenzen ausbauen können und Einblicke in aktuelle Forschungsthemen erhalten.
 
Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft ist ein Projekt der School for Talents an der Universität Stuttgart, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert wird.

Berichte aus der aktuellen Forschung an der Universität Stuttgart –
Chitin als nachhaltiger Werkstoff

Ausgestattet mit einem von der Carl-Zeiss AG gesponsorten Notizbuch und Stift strömten die mehr als 140 TeilnehmerInnen der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft am 18. November 2022 in den Hörsaal V55.02, um dort zu erfahren, was es mit dem von der Carl-Zeiss Stiftung mit fast 2 Millionen Euro geförderten Projekt „Chitinfluid“ auf sich hat. Auch Professorin Dr. Sabine Laschat zeigte sich hochbeeindruckt von dem sich immer weiter füllenden Hörsaal. Mit ihrem Team hatte Frau Professorin Laschat nicht nur verschiedene Exponate und Experimente auf den Labortischen des Hörsaals aufgebaut, sondern auch alle Sitzplätze mit Gummibärchen und einem kleinen Quiz bestückt. 

In diesem Quiz sollten die TeilnehmerInnen zunächst einmal einschätzen, welche Stoffe Chitin enthalten. Zur Auswahl standen Äpfel, Kräuter-Seitlinge, Soldatenfliegenlarven, Basilikum, Insekten, Hefe, Austern, Algen, Schmetterlingsflügel und eben auch Gummibärchen. Alle diese Dinge hatte Frau Laschat zur Ansicht mitgebracht und einer ihrer Doktoranten hatte selbst die Mühe nicht gescheut, aus einem universitätsnahen Tümpel Algen zu holen.

Nun wurde zunächst das Biopolymer Chitin näher betrachtet. Chitin ist ein Polysaccharid, in dem die Monomere N-Acetylglucosamin durch β-1,4-glycosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Aufgrund des Polymerisationsgrades, der zwischen 300 und 150000 Monomeren liegt, gibt es eigentlich „viele Chitine“ mit unterschiedlichen Eigenschaften. Nach Cellulose ist Chitin das zweihäufigste Biopolymer, von dem die Biosphäre (v.a. Pilze, Häutungstiere, Weichtiere und Kieselalgen) jährlich mehr als 1010 Tonnen produziert. Industriell genutzt wird beispielsweise der Schimmelpilz Aspergillus niger bei der Herstellung von Zitronensäure. Dieser Pilz enthält Chitin als Bestandteil seiner Zellwand. Betrachtet man Meerestiere wie Krabben, Garnelen oder Krebse fällt auf, dass Chitin oft im Verbund mit CaCO3 vorkommt. Hier liegt ein Komposit- oder Hybridmaterial vor, bei dem Kalkkristalle wie durch einen Mörtel aus Chitin und Keratin zusammengehalten werden, was die Schlagzähigkeit von bspw. Muschelschalen bewirkt. Somit zeigt Chitin in der Natur interessante Eigenschaften wie Stütz- und Schutzfunktionen, ist weiterhin aber auch biologisch abbaubar, antibakteriell und wasserabweisend. 

Aus Chitin kann durch partielle saure Hydrolyse und anschließende Neutralisation mit NaOH Chitosan gewonnen werden, ein Polymer, das anstelle der N-Acetyl-Gruppen freie Amin-Gruppen besitzt. Um die Eigenschaften zu verdeutlichen führte nun Michael Müller, ein Mitarbeiter des Arbeitskreises von Frau Professorin Laschat, Lösungsversuche vor. Während sich Mais-Stärke in heißem Wasser vollständig löst, zeigt übliche käufliche Haushaltsstärke nur eine teilweise Löslichkeit, Cellulose ist nicht löslich. Ähnlich verhält es sich mit Chitin und Chitosan. Während Chitosan in einer Lösung aus Wasser und Essigsäure gelöst werden kann, ist Chitin darin unlöslich.

Und genau dieses Lösungsverhalten von Chitin ist es, was die Forschungsgruppe aus sechs Instituten um Frau Professorin Sabine Laschat an der Universität Stuttgart genauer untersuchen möchte. Ziel ist es, aus Chitin und seinen Derivaten in einem wasser-basierten Prozess Werkstoffe zu entwickeln, die dann für Spezialanwendungen im Bauwesen geeignet sind und den Energieverbrauch der Bauindustrie nachhaltig senken sollen. Schließlich ist der Bausektor für mehr als 40 % des globalen Energieverbrauchs, 35 % der CO2-Emissionen und 45 % des globalen Ressourcenverbrauchs verantwortlich. Nachhaltige Baustoffe werden somit immer wichtiger. Chitin-basierte Materialien könnten hier zu einem sinkenden Energieverbrauch in Gebäuden und beim Gebäudebau beitragen und sind außerdem umweltfreundlich, da sie biogen und kompostierbar sind. Um diese Baustoffe zu entwickeln, muss aber zunächst ein Weg gefunden werden, Chitin in Lösung zu bringen und entsprechend weiterzuverarbeiten.

Am Ende des Vortrags wurde noch das Quiz aufgelöst. Außer den Äpfeln, dem Basilikum und den Gummibärchen enthielten alle weiteren genannten Objekte Chitin. Nach diesen interessanten Einblicken lud Frau Professorin Laschat die ZuhörerInnen ein, nach vorne zu kommen, mit den MitarbeiterInnen zu diskutieren und sich die Exponate aus der Nähe anzusehen. Dieses Angebot nahmen die TeilnehmerInnen zahlreich war. Ein besonderer Dank gilt Frau Nina Oehlsen (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie) und Herrn Tongyu Xu (Institut für Werkstoffe im Bauwesen), die unermüdlich die Fragen der interessierten SchülerInnen und Studierenden beantworteten. Ebenso geht ein großer Dank an Herrn Michael Müller (Institut für Organische Chemie) für die Vorführung der Experimente, Herrn Andreas Greulich (Institut für Organische Chemie) für Betreuung der Technik, Herrn Dr. Michael Schweikert (Institut für Biomaterialien und Biomolekulare Systeme) für die Bereitstellung der biologischen Präparate und Stereolupen, Frau Dr. Anna Zens (Institut für Organische Chemie) für Design & Layout und Herrn Dr. Linus Stegbauer (Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie) für die Bereitstellung von Folien und Ideen.
 
Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft ist ein Projekt der School for Talents an der Universität Stuttgart, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert wird.

Die Präsentationen sind passwortgeschützt:

Vortragsfolien "Astrochemie"

Vortragsfolien "Chitin"

Dieses Bild zeigt Barbara Schüpp-Niewa

Barbara Schüpp-Niewa

Dr.

Leiterin Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft

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