Eliteakademie im akademischen Jahr 2022

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 Bewerbung für das Programm findet zentral über die Homepage der Fakultät 3 der Universität Stuttgart statt. Die Auswahl der Schülerinnen und Schüler für das Schuljahr 2021/22 ist abgeschlossen. Eine Bewerbung ist erst wieder ab Juli 2022 für das Schuljahr 2022/23 möglich.

Die Auswahl der teilnehmenden Schülerinnen und Schüler aus den eingegangenen Bewerbungen trifft eine Auswahlkommission der Fakultät.

Flyer zum Download.

Programm Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft
(Oktober 2021 bis Juli 2022):

Professor Dietrich Gudat ist Feuer und Flamme für Chemie. Dies stellte er in der Abschlussveranstaltung des ersten Durchgangs der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft im Juni 2022 noch einmal eindrucksvoll unter Beweis. In dieser letzten wirklich großen Experimentalvorlesung, die Professor Dietrich Gudat (Institut für Anorganische Chemie) an der Universität Stuttgart gehalten hat, wurde er tatkräftig von Frau Denisa Heindel (Institut für Anorganische Chemie) und Herrn Joachim Trinkner (Institut für Organische Chemie) unterstützt. Vor einem vollen Hörsaal, im dem sich nicht nur die TeilnehmerInnen der Eliteakademie sondern auch zahlreiche weitere Studierende und MitarbeiterInnen eingefunden hatten, ging es in der Experimentalvorlesung um das Thema „Gefahrstoffe“, also um Stoffe, mit denen sich Chemiker beschäftigen müssen und es durchaus auch wollen. Da diese aber, wie der Begriff schon sagt, Gefahren in sich bergen, muss man sich beim Umgang mit Gefahrstoffen vorsehen und selbstverständlich vorsichtig und bedacht arbeiten. Dies wollte Professor Gudat den Teilnehmenden vermitteln und stellte mit der Aufschrift seines T-Shirts auch gleich klar, dass er weiß, wovon er spricht: „Chemiker – ich diskutiere nicht, ich erkläre nur, warum ich Recht habe.“

Die ersten Gefahrstoffe, die Professor Gudat vorführte, waren brennbare Gase. Nachdem er die Verpuffung von Wasserstoff noch als langsame Reaktion bezeichnete, lief die Reaktion von Knallgas bereits deutlich schneller und mit lautem Knall als Explosion ab. So konnte Professor Gudat zeigen, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit von der Durchmischung von brennbarem Gas und der Luft abhängig ist. Doch nicht nur Gase können brennen, sondern selbstverständlich auch feste Stoffe. Dabei sind Stäube deutlich leichter entzündlich als kompakte Feststoffe, was in eindrucksvollen Experimenten vorgeführt wurde.

Selbstverständlich führte Professor Gudat auch die Verbrennung von Schwarzpulver vor und ging auf den dabei stattfindenden Energieumsatz ein. Um die Energiemenge von 2,7 kJ/g zu verdeutlichen, holte Professor Gudat dann ein Stück Torte hervor, das er mit den Worten „Endlich darf ich das, was Sie oft in den Vorlesungen machen, auch mal tun…“ genüsslich verspeiste. „Dieses Stück Torte hat den gleichen Energieinhalt wie das Schwarzpulver. Gut, dass die Verbrennung, die in unserem Körper abläuft, deutlich langsamer stattfindet, sonst würden wir auch explodieren…“, erklärte Professor Gudat den verdutzten Zuhörern. Einen Professor während der Vorlesung essen zu sehen, das hatte wohl noch niemand der Anwesenden erlebt.

Nachdem die Explosion des Schwarzpulvers den ganzen Hörsaal in Rauch gehüllt hatte, wollte Professor Gudat aber dann auch zeigen, dass auch eine rauchfreie Verbrennung möglich ist. Dies tat er, indem er auf seiner Hand ein Stück Schießbaumwolle (Nitrocellulose) entzündete, welches augenblicklich mit gelblicher Flamme verbrennt, ohne dass die Hand dabei Schaden nimmt. „Tragen Sie im Labor immer einen Baumwollkittel – der ist schwer entflammbar.“ Dazu zeigte er, dass ein Baumwollsocken sich nicht einfach anzünden lässt, während ein nitrierter Socken sofort in Flammen aufging.

Wie kann man aber nun Brände löschen? Die erste Idee, die sicherlich fast jedem in den Sinn kommt, ist Wasser als Löschmittel. Metallbrände können aber mit Wasser nicht gelöscht werden, da es infolge der hohen Temperaturen zur Zersetzung des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff und ein der Folge zu einer Knallgasexplosion kommen kann. Aber auch ein anderes Löschmittel, das in Form von CO₂-Löschern gerne genutzt wird, kann hier nicht helfen. Hierzu zeigte Professor Gudat ein Experiment mit zwei Trockeneisblöcken aus festem CO₂, in die eine kleine Vertiefung hineingefräst worden war. In diese Vertiefung füllte Herr Trinkner Magnesiumpulver, das er anschließend anzündete. Nun wurde der Trockeneisblock mit dem zweiten Block bedeckt. Dabei brannte das Magnesium zunächst weiter, bis die eingeschlossene Luft verbraucht war. Die Flamme schien danach zunächst zu erlöschen, die das Magnesium umgebende Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre wirkte dann als brandfördernder Stoff und die Flamme brannte noch heller.

Zum Abschluss wurden die in der Vorlesung behandelten Stoffe als Kombination von brennbaren und brandfördernden Stoffen gezeigt, die in Form einer wunderschönen Fontäne – wie bei einer Silvester-Fontäne – einen herrlichen Funkenregen versprühten.

Nach der eindrucksvollen Experimentalvorlesung voller Brände und Explosionen ließen die begeisterten TeilnehmerInnen das erste Jahr der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft mit einem gemütlichen Beisammensein bei Brezeln und Getränk im Stuttgarter Campus Beach ausklingen.

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.

Samstagmorgen 7:45 Uhr – um diese Zeit steht normalerweise kein Studierender oder Schüler bzw. Schülerin freiwillig auf. Trotzdem hatten sich 75 junge Leute noch deutlich früher aus ihren Betten gequält, um pünktlich zur Abfahrt des Busses an der Universität Stuttgart zu sein. Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft machte sich zu einem Besuch im Deutschen Museum in München auf. Mit einem vollbesetzten Doppelstockbus startete die Gruppe und wurde leider schon bald beim Albaufstieg auf der A8 ausgebremst, da genau an diesem Wochenende die Autobahn voll gesperrt war. Der Stimmung im Bus tat dies jedoch keinen Abbruch, da die Studierenden und SchülerInnen die Zeit zum intensiven Austausch nutzten.

Gerade noch pünktlich zum ersten Programmpunkt der Vorführung „Experimente mit Stickstoff“ kamen die TeilnehmerInnen der Eliteakademie dann doch noch in München an, um gleich darauf festzustellen, dass bei der Ankündigung in der App des Deutschen Museums in München ein Fehler unterlaufen war und die Vorführung gerade zu Ende ging. Auf Nachfrage bei der vorführenden Museumsmitarbeiterin kam die Antwort: „Sind Sie die Gruppe aus Stuttgart? Kein Problem – der Stickstoff verdampft übers Wochenende ohnehin, ich mache die Vorführung einfach gleich noch einmal!“ Und so fing Frau Anna-Lena Kämper zur Freude der TeilnehmerInnen der Eliteakademie nach einer kurzen Vorbereitungszeit erneut mit der Vorführung des flüssigen Stickstoffs an. Zunächst zeigte Frau Kämper mit einem Thermometer, dass der flüssige Stickstoff eine Temperatur von -196°C hat und in einem Dewar-Gefäß aufbewahrt werden muss, damit er nicht direkt verdampft. Dies kannten die Studierenden bereits aus dem Praktikum, die SchülerInnen hatten derart kalte Flüssigkeiten sicherlich noch nicht zuvor gesehen. Mit Hilfe des Stickstoffs verflüssigte Frau Kämper dann die Luft in einem Luftballon. Der Luftballon zog sich zusammen und am Boden war gut eine kleine „Pfütze“ der flüssigen Luft zu erkennen. Beim Erwärmen dehnte der Ballon sich wieder aus, da die Luft wieder verdampfte, und war anschließend in der gleichen Größe und Elastizität wieder zu sehen. Weiterhin zeigte Frau Kämper die Wirkung auf heißes Wasser, dem etwas Spülmittel zugesetzt war. Es brodelte und schäumte wie in der Hexenküche. In einem weiteren Experiment wurde ein Supraleiter unter die Sprungtemperatur abgekühlt und schwebte anschließend wie von Zauberhand über einem Dauermagneten. Zum Abschluss wurde noch eine Riesenfontäne mit dem Stickstoff erzeugt. Ein herzliches Dankeschön an Frau Kämper für diese beeindruckende Vorführung und ihre Bereitschaft, die Experimente mit dem flüssigen Stickstoff für uns in einer Sondervorführung noch einmal durchzuführen.

Anschließend machten sich die TeilnehmerInnen selbstständig auf den Weg, um das Museum zu erkunden. Da gab es viel zu entdecken: ob aus dem Bereich der „Naturwissenschaften“ z.B. die Ausstellung zur Astronomie oder Physik, aus dem Bereich „Werkstoffe – Energie – Produktion“ das Bergwerk oder Ausstellungen über Metalle, Glastechnik oder Keramik, aus dem Bereich „Verkehr – Mobilität – Transport“ historische Fluggeräte oder Schiffe sowie Exponate aus der Meeresforschung,  besucht wurden, oder doch lieber im Bereich „Mensch und Umwelt“ beispielsweise die Ausstellungen zur Pharmazie, Geodäsie oder Umwelt erkundet wurden, es war für jeden etwas dabei. Einige TeilnehmerInnen machten sich auch mit der App des Deutschen Museums auf eine Highlight-Tour, um sich einen Überblick über die wichtigsten Exponate zu verschaffen.

Um 16:00 Uhr versammelte sich die Stuttgarter Gruppe dann wieder, um gemeinsam die Vorführung der Hochspannungsanlage mit einer Million Volt zu besuchen. Bei der Vorführung der Hochspannungsanlage schlug der Blitz ein und ein Faraday'scher Käfig stand unter Starkstrom.

Bis zur Abfahrt standen den TeilnehmerInnen danach nur noch wenige Minuten zur Verfügung, in denen die meisten noch einmal in die Ausstellungen zurückgingen, um weitere interessante Dinge zu entdecken. Ohne weiteren Stau erreichte die Gruppe dann mit vielen neuen Eindrücken am Abend wieder die Universität in Stuttgart.

Die Ausstellungen, die die Teilnehmer jetzt noch anschauen konnten, werden vermutlich mit Eröffnung der neuen, vollständig überarbeiteten und erneuerten Teilbereiche des Museums geschlossen und ebenfalls einer Modernisierung unterzogen. Einem Besuch ab Juli 2022 sollte somit nichts im Wege stehen – es gibt dann vieles Neues zu entdecken.

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.

Bei der jüngsten Veranstaltung der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft lag auf jedem Platz des Hörsaals ein Apfel – hoffentlich kein schlechtes Omen, denn der Titel des Vortrags in der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft hieß schließlich „Lebensmittelbetrug und -skandale – Herausforderungen für die Analytik“. Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer, die sich wieder zahlreich im Hörsaal V55.22 eingefunden hatten, waren zumindest sehr gespannt aber sicherlich auch etwas skeptisch.

Als Expertin konnte Frau Dr. Maria Buchweitz von der Abteilung Lebensmittelchemie des Instituts für Biochemie und Technische Biochemie der Universität Stuttgart gewonnen werden. Frau Dr. Buchweitz erläuterte zuerst den veränderten Fokus der Lebensmittelchemie. Während früher die ausreichende Versorgung der Bevölkerung mit Lebensmitteln und Schutz vor Täuschung mit gesundheitlichem Schaden im Vordergrund standen, sind heute zusätzlich Fragestellungen wie Funktionalität von Lebensmitteln, Allergene und die Authentizität relevant. Unter Authentizität versteht man, dass ein Produkt der Beschreibung entsprechen muss, d.h. qualitative und quantitative Angaben zu Inhaltsstoffen, aber auch Informationen zur Herkunft sowie Anbau- bzw. Haltungsbedingungen sowie Verarbeitungsprozessen müssen korrekt sein.

Die nicht korrekte Angabe von Inhaltsstoffen wurde am Pferdefleischskandal aus dem Jahre 2013 ausgeführt. Damals wurde in verschiedenen europäischen Ländern Pferdefleisch z.B. in Lasagne gefunden, welches als Rindfleisch deklariert war. Abgesehen von ethischen Vorbehalten vieler Verbraucher ist Pferdefleisch, wenn für den Verzehr zugelassen, grundsätzlich gesundheitlich unbedenklich. Allerdings bestand der Verdacht, dass Medikamente in die Lebensmittel gelangt waren, da es sich vermutlich um Sportpferde handelte. Wie kann so etwas passieren? Der Handel mit Fleisch läuft über bis zu 20 verschiedene Stationen und sobald das Fleisch verarbeitet ist, lässt sich die Herkunft nur noch anhand von Zertifikaten nachvollziehen. Die Industrialisierung sowie Globalisierung in der Lebensmittelverarbeitung bringt hier große Probleme mit sich, denn Zertifikate können gefälscht werden.  

Ein weiterer Lebensmittelskandal war die Dioxinaffäre im Jahr 2010. Hier wurde technisches, dioxin-belastetes Öl, welches nicht zum Verzehr zugelassen war, zur Futtermittelherstellung eingesetzt. Da Dioxine aber nicht abgebaut werden, reichern sie sich in der Nahrungskette und somit in den Verbrauchern an. Dioxine stehen im Verdacht Krebs zu erregen, wodurch eine Fütterung von Nutztieren mit dioxin-belastetem Futtermittel zu einer Gesundheitsgefährdung der Verbraucher führt.

Dass selbst vor den Kleinsten nicht Halt gemacht wird, zeigte Frau Dr. Buchweitz am Beispiel von Melamin. Chinesische Molkereien hatten Milchpulver illegal gestreckt und wollten dies verschleiern, indem sie dem Milchpulver Melamin zusetzten. Da Melamin ein organisches Molekül mit hohem Stickstoffanteil ist, täuschte der so erhöhte Stickstoffgehalt einen höheren Proteinanteil vor, als tatsächlich im Milchpulver vorhanden war. Zahlreiche Babys mussten in China mit Nierenproblemen in Kliniken behandelt werden, 6 starben daran. Die Auswirkungen dieser Katastrophe sind in China bis heute spürbar, denn das Vertrauen der chinesischen Bevölkerung in die gesundheitliche Unbedenklichkeit von chinesischen Milchprodukten ist gestört.

Für die Lebensmittelkontrolleure und -chemikerInnen ist es schwer, die „schwarzen Schafe“ zu finden. „Wir können nicht alles untersuchen und wir müssen prinzipiell wissen, wo und wonach wir suchen müssen. Bisher ist man den Fälschern immer hinterhergerannt!“, so Frau Dr. Buchweitz. Es wird dort geschaut, wo Betrug vermutet wird, z.B. bei steigenden Rohstoffpreisen, Ernteausfällen und Lieferengpässen, also überall da, wo hohe Gewinnspannen locken, Qualitätsunterschiede visuell nicht wahrnehmbar sind und die Wahrscheinlichkeit der Aufdeckung eher gering ist. Langwierige Analytik gestattet nur die Untersuchung weniger Stichproben auf bekannte Qualitätsparameter. Dies nennt man zielgerichtete Analytik. Wenn also ein Lebensmittel anders verfälscht wird (z.B. bisher unbekannte Stoffe zugesetzt werden), dann ist dies nicht nachweisbar. Wir brauchen also neue analytische Strategien, um schnell für eine hohe Probenanzahl auffällige von unauffälligen Proben unterscheiden zu können. Dies nennt sich nicht-zielgerichtete Analytik. Diese Methoden geben jedoch keine Information darüber, was konkret auffällig ist bzw. was die Grundlage des Betruges ist. Auffällige Proben müssen nachfolgend genauer untersucht werden.

Schließlich wurde näher auf Äpfel eingegangen, für die die Sorte, aber auch das Herkunftsland bzw. Anbaugebiet und die Anbaubedingungen relevant sind. Der Wunsch der Verbraucher nach regionalen und/oder biologisch angebauten Äpfeln oder die verstärkte Nachfrage nach sortenreinen Säften und Weinen spielt eine wichtige Rolle. Um Fragen nach Sortenreinheit oder Herkunft schnell klären zu können, bieten sich klassifizierende Methoden an, die auf der Grundlage eines statistischen Modells, welches mit vielen bekannten Proben erstellt wurde, beruhen. 

Für Apfelallergiker ist die Sorte zusätzlich von hoher Relevanz, da das allergische Potential stark von der Apfelsorte abhängig ist. Auf die Frage von Frau Dr. Buchweitz, ob es im Auditorium denn auch Apfelallergiker gäbe, gingen gleich mehrere Hände in die Höhe, was eindrucksvoll zeigte, wie wichtig die richtige Deklaration von Lebensmitteln ist. In Nord- und Mitteleuropa ist die Hauptursache für die Apfelallergie eine Kreuzreaktion auf die Birkenpollenallergie. Das dafür relevante Allergen ist das Mal d 1, welches in unterschiedlichen Gehalten und Modifikationen (Isoallergene) in den verschiedenen Apfelsorten zu finden ist. Zusätzlich wird für traditionelle Apfelsorten von Streuobstwiesen ein geringeres allergenes Potential postuliert, wofür der meist höhere Polyphenolgehalt verantwortlich sein soll.  Die im Apfel enthaltene Menge an Polyphenolen zeigt sich eindrucksvoll am aufgeschnittenen Apfel: polyphenolreiche Äpfel werden schneller braun, wie Frau Dr. Buchweitz am Beispiel eines Boskoop-Apfels vorführte. Diese Bräunung ist jedoch beim Verbrauer unbeliebt und die Polyphenole wurden in Tafeläpfeln, welche im Supermarkt erhältlich sind (z.B. Gala, Elster, Jonagold), herausgezüchtet. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse zum Einfluss des Allergengehaltes, der verschiedenen Isoallergene bzw. zu Reaktionen und Interaktionen zwischen Polyphenolen und dem Allergen auf das allergene Potential einer Apfelsorte sind noch in den Kinderschuhen. Da der Mal d 1 Gehalt in Abhängigkeit von der Lagerzeit und -Bedingung erhöht und auch das Isoformprofil deutlich verändert wird, kann unter Umständen die mangelnde Lagerfähigkeit der traditionellen Sorten die bessere Verträglichkeit begründen. Bis die Ursachen der Allergenität eines Apfels aufgeklärt sind und für Allergiker verträgliche Äpfel zum Frischverzehr erhältlich sind, müssen sich Apfelallergiker nicht grämen – erhitzt vertragen viele Allergiker Äpfel dann doch, da das Allergen Mal d 1 beim Erhitzen zerstört wird, so dass dem Genuss von leckerem Apfelkuchen meist nichts im Wege steht.

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.

Ob es nun alte Amphoren, Skulpturen, Reliefs oder auch Brillen, Ohrringe und Bierkrüge sind – eines haben viele Kulturgüter im Museum gemeinsam: mit der Zeit zeigen sich oft Korrosionen oder Ausblühungen auf den Objekten oder in Poren. Da hilft auch alles Reinigen und Säubern nicht, teilweise entstehen in noch kürzerer Zeit erneut Ausblühungen. Doch was können die Restauratoren der Museen nun tun? Sie können jemanden fragen, er sich mit solchen Dingen auskennt, wie zum Beispiel Dr. Sebastian Bette vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Wie er mit Hilfe der Kristallstrukturanalyse so manchem Geheimnis auf die Spur kommen kann, zeigte er den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft Ende März 2022 in einem interessanten Vortrag.

Zunächst erklärte er den Schülerinnen und Schülern sowie den Studierenden aber, wie man mithilfe der Kristallstrukturanalyse die Struktur einer Verbindung aufklären kann. Dazu wird Röntgenstrahlung am Kristallgitter gebeugt und aus den entstehenden Interferenzmustern können die Kristallgitter berechnet werden und umgekehrt. Aber handelt es sich bei den Ausblühungen auf den Kunstgegenständen denn überhaupt um Kristalle? Wenn man genau hinschaut und auf etwa 10 µm vergrößert, erkennt man tatsächlich viele kleine Kristalle mit glatten Flächen. An diesen polykristallinen Pulvern kann Dr. Bette nun seine Untersuchungen durchführen. Er darf die Proben aber nicht selbst nehmen, da die Kulturgüter in den Museen nur von Restauratoren angefasst werden dürfen. Aus winzigsten Proben, die er von den Museen erhält, ermittelt Herr Bette dann die Kristallstrukturen der Ausblühungen oder Korrosionsprodukte.

Viele kalkhaltige Gegenstände befinden sich in unseren Museen, wie bspw. der glasierte Löwenkopf im Landesmuseum Württemberg in Stuttgart. Lange Zeit machte man sich Gedanken darüber, was das wohl für Ausblühungen sind, die auf dem Kopf wachsen. Seit etwa 1930 weiß man, dass es sich hierbei nicht um lebendige Dinge handelt, sondern um Salze. Hier findet sich unter anderem Thecotrichit mit der chemischen Formel Ca₃(CH₃COO)₃Cl(NO₃)₂·6H2O oder Calclacit, Ca(CH₃COO)Cl·5H2O. Wieso kristallisieren nun aber aus Carbonaten Acetate aus? Die Forscher konnten herausfinden, dass der Grund dafür die Lagerung der Exponate in Holzschränken oder -vitrinen ist. Das Holz setzt Ameisensäure oder Essigsäure frei, die über die Luft an die Exponate gelangen. Die Nitrat- oder Chlorid-ionen in den entstehenden Salzen stammen aus der Reinigung der Objekte mit salzsäure- bzw. salpetersäure-haltigen Reinigungsmitteln.

Ähnliches konnte an dem Relief „Die Anbetung der Hirten“, das vom italienischen Bildhauer Giuseppe Torretti stammt, beobachtet werden. Das Relief war im zweiten Weltkrieg durch Feuer beschädigt worden. Es gelangte am Ende des zweiten Weltkriegs in die Sowjetunion. Dort versuchte man, die Schäden mit einem Kleber aus Polyvinylbutyral (PVB) zu reparieren. Als das Relief Anfang der 1990er-Jahre zum Museum für Byzantinische Kunst nach Berlin zurückkam, entfernten Fachleute den Kleber mit Ethylacetat. Aus den Calcium-Ionen des Marmors bildete sich mit den Acetat-Ionen des Ethylacetats im Laufe der Zeit ein neues Salz, das sich als Ausblühungen auf dem Relief zeigte. Um dieses Salz genauer analysieren zu können, stellten die Forscher die Bildung an einem Terrakotta-Topf nach und gewannen so die notwendige Menge für eine genauere Analyse der Verbindung Ca(CH₃COO)₂·0,5H2O. Die daran ermittelte Struktur zeigt eine Triple-Helix-Struktur, wie Dr. Bette begeistert berichtete.

Manche Objekte zerstören sich aber auch selbst, wie Herr Bette an den Kontaktstellen von Messing mit Glas aufzeigte. Diese sind zum Beispiel an alten Brillen, Ohrringen aber auch Bierkrügen zu finden. Das Metall wird im Laufe der Jahre oxidiert und auf dem Glas bildet sich durch die Luftfeuchtigkeit ein Flüssigkeitsfilm. Das Glas löst sich so an und eine basische, CO₂-haltige Lösung entsteht. An der Kontaktstelle zwischen Glas und Metall kommt es dann zur Reaktion dieser Lösung mit dem oxidierten Metall und Ausblühungen entstehen. Auch hier konnten die Forscher im Labor die historische Korrosionsphase nachstellen und die Struktur des Produktes aufklären.

Nur wenn wir also wirklich verstehen, welche chemischen Verbindungen sich bilden, können wir Rückschlüsse auf die ablaufenden Reaktionen ziehen und so unsere Kulturgüter langfristig besser schützen und bewahren. Dies war den Teilnehmerinnen und Teilnehmern der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft vor dem spannenden Vortrag so sicherlich nicht bewusst.

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.

Endlich experimentieren, endlich in einem echten Universitätslabor stehen und selbst Versuche durchführen – das dachten die Schülerinnen und Schüler der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaften, als sie am 15. und 16. Februar 2022 zum Experimentiernachmittag für SchülerInnen ins Fehling-Lab nach Stuttgart anreisten. Hätte man sie nach „Fehling“ gefragt, hätten sicherlich viele geantwortet, dass dies der Entwickler der Fehling-Probe zum Nachweis von Aldehyden und reduzierenden Zuckern war. Die Bedeutung Hermann von Fehlings für die Universität Stuttgart – die vereinigten Real- und Gewerbeschule in Stuttgart wurde unter seiner Mitwirkung zur polytechnischen Schule und 1876 zur Technischen Hochschule, der heutigen Universität Stuttgart – und sein Einsatz für eine gründliche, praktische Ausbildung seiner Schüler, hat wohl kaum einer der Teilnehmer und Teilnehmerinnen gekannt. Nach wem könnte also besser ein Schülerversuchslabor an der Universität Stuttgart benannt sein…

Thema des Experimentiernachmittags war die Säure-Base-Titration. Wie man den Endpunkt einer solchen Titration erkennt, wussten bereits viele Schülerinnen und Schüler: „Da braucht man einen Indikator!“, war die einhellige Meinung. Deshalb wurde zunächst ausprobiert, welche Färbungen unterschiedliche Indikatoren im sauren, neutralen und alkalischen Milieu zeigen. Die erste Neutralisation wurde anhand eines kleinen Vorversuchs durchgeführt. In eine kleine Petrischale gaben die Schülerinnen und Schüler Wasser und wenige Tropfen Universalindikatorlösung und fügten dann auf entgegengesetzten Seite gleichzeitig je eine Spatelspitze Zitronensäure bzw. Soda dazu. Während durch die Zugabe von Zitronensäure eine rote Färbung entstand, war bei Soda eine Blaufärbung zu beobachten. Schließlich trafen sich die saure und die alkalische Lösung in der Mitte, hier zeigte sich die Neutralisation durch Gelbfärbung sowie die Freisetzung von CO₂ durch das Entstehen von Gasbläschen. Somit hatten die Teilnehmer und Teilnehmerinnen genau den Versuch nachvollzogen, der auch im Flyer der Eliteakademie abgebildet war.

Anschließend ging es an die erste richtige Titration von Salzsäure mit Natronlauge. Dazu wurde erst einmal in die richtige Benutzung einer Bürette eingeführt. Wie fülle ich die Maßlösung genau bis zum Nullpunkt ein, wie lese ich richtig ab – diese Fragen mussten zuerst geklärt werden, damit im Anschluss auch exakt gearbeitet werden konnte. Ebenso wurde in die Arbeit mit Vollpipette und Peleusball eingeführt. Nach durchgeführter Titration verglichen die Teilnehmerinnen und Teilnehmer ihre Ergebnisse und berechneten gemeinsam die Konzentration der Salzsäure. In einer weiteren Titration bestimmten die Schülerinnen und Schüler dann noch, ob die Konzentrationsangabe an Essigsäure auf einer Flasche herkömmlichen Haushaltsessig wohl auch richtig ist.

Nicht nur die Teilnehmer, sondern auch die betreuenden Lehrkräfte waren begeistert: „Endlich wieder experimentieren mit einer größeren Gruppe in Präsenz, das hat mir in den letzten zwei Jahren so gefehlt. Und die Gruppe ist so motiviert und toll!“ Ein Lob, das sich die Schülerinnen und Schüler wirklich verdient haben.

Ein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Marco Spurk, dem Geschäftsführer des Fehling-Labs sowie den betreuenden Lehrkräften, Frau Frank, Frau Leuthner, Frau Paparone, Frau Pilz sowie Frau Rambach für die gelungenen Experimentiernachmittage.

Gerne wären die Teilnehmerinnen und Teilnehmer der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft sicherlich mit einem großen Feuerwerk ins Jahr 2022 gestartet. Dies war aufgrund des Verkaufsverbots für Feuerwerk zum Jahreswechsel 2021/22 aber nicht möglich. Um mehr über das Thema „Feinstaub und Stickoxide“ zu erfahren, fanden sich rund 100 Teilnehmerinnen und Teilnehmer Ende Januar zu einer Experimentalvorlesung mit Herrn Professor Peter Menzel im Chemie-Hörsaal der Universität Stuttgart ein. Dabei erfuhren sie, dass die Feinstaubbelastung in den ersten Stunden eines neuen Jahres normalerweise zu den höchsten im ganzen Jahr gehört. Durch den Abbrand von Feuerwerkskörpern werden pro Jahr etwa 2050 Tonnen Feinstaub freigesetzt, was ca. 1 Prozent der jährlichen PM10-Gesamtemission ausmacht. Der Verzicht auf Feuerwerk stellt also eine bedeutende Maßnahme zur Reinhaltung der Luft dar.

Professor Menzel erläuterte anschließend die Feinstaub-Problematik in der Stadt Stuttgart, insbesondere an der Messstation Neckartor, und welche Maßnahmen hier ergriffen wurden. Mit unterschiedlichen Maßnahmen wie einer Mooswand zur Feinstaubbeseitigung, Straßenreinigung mit Spezialfahrzeugen, einem Kleber gegen Feinstaub, Filtersäulen zur Luftreinigung und schließlich dem Dieselfahrverbot für Euro-5- und ältere Fahrzeuge wurde dem Feinstaub der Kampf angesagt. Als Feinstaub (PM10) werden dabei Partikel, die kleiner als 10 mm sind, bezeichnet. Natürliche Feinstäube können dabei z.B. Pollen und Viren sein, anthropogene, d.h. durch den Menschen verursachte, z.B. Reifenabrieb im Straßenverkehr. Professor Menzel zeigte eine einfache Methode, durch Streuung von Laserlicht Feinstaubpartikel nachweisen zu können, die bspw. bereits durch Abbrennen eines einfachen Zündholzes entstehen.

Neben Feinstaub zählen auch die Stickoxide zu den Schadstoffen in der Luft, die besonders schwerwiegende gesundheitliche Auswirkungen zeigen können. Professor Menzel führte im Folgenden vor, dass sich Stickoxide leicht mit einfachen Nitrit-/Nitrat-Teststäbchen nachweisen lassen. Der dabei entstehende Azofarbstoff weist durch seine charakteristische Färbung leicht die Stickoxide nach. Messungen wurden z.B. an unterschiedlichen Abgasproben, die Professor Menzel an seinem eigenen Pkw genommen hatte, vorgeführt. Auch die Bildung von Stickoxiden bei einer Kerze und einem Lichtbogenfeuerzeug wurden demonstriert. Professor Menzel führte am Ende noch aus, wie auf einfache Weise eine Kalibrierkurve erhalten werden kann, die von den Konzentrationen an diejenigen heranreicht, die am Stuttgarter Neckartor gemessen werden. Lediglich der Versuch, im Gasgemisch, das beim Rauchen einer Zigarette eingeatmet wird, Stickoxide nachzuweisen, führte zu nur einer sehr geringen Menge an Stickoxiden. Allein das Aussehen und die Farbe des Gasgemisches sollte aber schon viele TeilnehmerInnen davon abhalten, zur Zigarette zu greifen. Die Schadstoffe werden hier förmlich sichtbar.

In seiner Experimentalvorlesung konnte Professor Menzel den TeilnehmerInnen zeigen, dass oftmals keine großen Versuchsaufbauten notwendig sind, um Nachweisreaktionen durchzuführen, sondern dass Vieles auch mit einfachen Mitteln gezeigt werden kann.

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.

Steigende Inzidenzen und junge Leute, die aus ganz Baden-Württemberg zusammenkommen – das passt nicht zusammen. Also ging die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaften am Freitag, 26.11.2021 online, nachdem die Auftaktveranstaltung im Oktober noch in Präsenz stattfinden konnte. Inzwischen sind aber Dozenten, Studierende und auch Schülerinnen und Schüler so fit im Umgang mit Video-Konferenzen, dass der Workshop zum Thema „Wie bauen wir die Batterie der Zukunft?“ problemlos online stattfinden konnte. So schnellte die Teilnehmerzahl um 16:30 Uhr auch immer weiter in die Höhe, um sich bei über 100 Teilnehmerinnen und Teilnehmern schließlich zu stabilisieren. Entgegen der üblichen Sitte, die Kameras auszulassen, schalteten sehr viele Teilnehmerinnen und Teilnehmer auch ihr Video an, so dass Professor Dr. Oliver Clemens von der Abteilung Chemische Materialsynthese des Instituts für Materialwissenschaft der Universität Stuttgart nicht nur gegen „graue Kacheln“ sprechen musste.

Zunächst stellte sich die Frage, warum Batterien eigentlich notwendig sind. Um unsere zukünftigen Energieprobleme zu lösen, gibt es zwei Möglichkeiten: Verzicht – was sich viele nicht vorstellen möchten – oder die Energiespeicherung. Dies wird bspw. beim Umstieg auf Elektromobilität deutlich, aber auch in der Notwendigkeit großer Energiespeicher zur effizienten Nutzung von Photovoltaik- und Windenergieanlagen.
Nachdem Professor Clemens zunächst kurz in die Funktionsweise von Batterien und Akkumulatoren eingeführt hatte, sollten sich die Teilnehmerinnen und Teilnehmer Gedanken dazu machen, welche Elementkombinationen sehr viel Energie in einer chemischen Reaktion liefern. Viele interessante Vorschläge wurden von den Teilnehmenden in die Runde gebracht – teils durch direkte Wortmeldung, teils durch Äußerung im Chat. Als Elementkombination, die viel Energie liefert, wurde anschließend die Kombination von Cäsium mit Fluor näher betrachtet. Professor Clemens zeigte anhand von Videos eindrucksvoll die bei einer Reaktion dieser Elemente freiwerdende Energie. Schnell wurde den Teilnehmenden klar, dass natürlich die Handhabbarkeit der Verbindungen eine genauso große Rolle spielt, wie die Verfügbarkeit der Elemente.
 
„Welche Anforderungen würden Sie an eine Batterie für Elektroautos stellen?“, wollte Professor Clemens dann von den Studierenden und SchülerInnen wissen. Haltbarkeit, Temperaturstabilität, lange Nutzungsdauer, schnelle Aufladbarkeit, Kompaktheit, gute Recycelbarkeit und wirtschaftliche Aspekte sind nur einige Punkte, die angeführt wurden. Der Chat konnte gar nicht so schnell nachverfolgt werden, wie neue Aspekte genannt wurden.
 
Gemeinsam überlegten dann alle zusammen, wie geeignete Elektrodenmaterialien aussehen müssten oder welche Anforderungen an einen guten Elektrolyten zu stellen sind. Dabei wurde deutlich, wie viele Dinge zu bedenken sind, wenn eine Batterie verbessert oder neu entwickelt werden soll.
 
Im Anschluss an den Workshop beantwortete Professor Clemens selbstverständlich noch die zahlreichen Fragen der Teilnehmenden. Sein Fazit am Ende: „So eine tolle Beteiligung habe ich in einem solchen Workshop noch nie gehabt, weder in Präsenz noch online.“ Ein Kompliment, das die Teilnehmerinnen und Teilnehmer aufgrund ihrer regen Beteiligung am Workshop vollkommen zu Recht erhalten. Ein virtuelles Get-together in zufällig ausgewählten Untergruppen diente im Anschluss dem Kennenlernen der TeilnehmerInnen. Einige TeilnehmerInnen nutzten diese Möglichkeit des Austausches bis in die späten Abendstunden. 
 
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.

Fast bis auf den letzten „erlaubten“ Platz gefüllt, war der Chemie-Hörsaal am Freitag, 22.10.2021, zur Auftaktveranstaltung der Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft. Über 70 Schülerinnen und Schüler aus ganz Baden-Württemberg sowie über 30 der besten Studierenden der Studiengänge Chemie, Lebensmittelchemie, Materialwissenschaft und Chemie-Lehramt hatten den Weg nach Stuttgart auf sich genommen, um sich zum Thema „Nachhaltigkeit in der Chemie“ zu informieren.

Professor Elias Klemm vom Institut für Technische Chemie zeigte auf, dass die chemische Industrie mit etwa 10 % zum Ausstoß von CO₂ beiträgt und hier Innovationen notwendig sind, um die Klimaziele zu erreichen und spätestens 2050 klimaneutral zu werden. Die Aktualität des Themas unterstrich Klemm durch den Hinweis auf den diesjährigen Physik-Nobelpreis an die Klimaforscher Manabe und Hasselmann.

Die CO₂-Emissionen der chemischen Industrie stammen dabei aus dem Einsatz fossiler Brennstoffe, aus dem chemischen Prozess selbst sowie aus indirekten Emissionen aus der Nutzung der Produkte über den gesamten Lebenszyklus. Wenn die chemische Industrie klimaneutral werden soll, setzt dies den Einsatz fossiler Brennstoffe durch erneuerbare Energien voraus sowie die Aktivierung der nicht-fossilen und leicht verfügbaren Rohstoffe CO₂, H₂O, O₂ und N₂.

Prof. Ralf Takors vom Institut für Bioverfahrenstechnik sprach im Anschluss über die Inwertsetzung biologischer Ressourcen, die in der Stuttgarter Forschungsinitiative ValBio untersucht werden. Er zeigte Beispiele von Funktions- und Strukturmaterialien, die aus nachwachsenden Rohstoffen – meist Zucker – produziert werden und die Herstellung biobasierter Produkte durch Einsatz biogener Rest- und Abfallstoffe. Zentraler Aspekt war hierbei die Kreislaufführung.

Zum Abschluss der Veranstaltung referierte Frau Dr. Maike Lambarth vom Institut für Photovoltaik über das Thema „Wie wir die Welt vom Plastikmüll befreien wollen“. Dies kann nur gelingen, indem gemischter Kunststoffabfall recycelt wird und daraus neue Kunststoffe oder andere Produkte hergestellt werden. Auch hier ist es wichtig, dass ein Kreislaufsystem entsteht.

Die Eliteakademie Chemie und Materialwissenschaft 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.

Die Präsentationen sind passwortgeschützt:

Nachhaltige Chemie - Prof. Klemm

CHEMampere - Chemie mit regenerativem Strom sowie Luft und Wasser -
Prof. Klemm

Workshop "Batterie der Zukunft" (26.11.2021)

"Feinstaub und Stickoxide" (21.01.2022)

Vom Zahn der Zeit zernagt: Wie Kristallstrukturanalyse hilft,
Kulturgüter im Museum zu bewahren