Makromolekulare Chemie

Makromoleküle bestehen aus Tausenden von Atomen, die über kovalente Bindungen in unterschiedlichster Weise miteinander verknüpft sind. Sie werden aus kleinen Molekülbausteinen, den Monomeren, durch chemische Reaktionen zu Ketten oder Netzwerken zusammengefügt. Diesen chemischen Prozess bezeichnet man als Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition, die dabei entstehenden Verbindungen als Polymere.

Die makromolekulare Chemie ist ein vergleichsweise junger Forschungszweig, deren Ergebnisse die chemische Industrie in den letzten Jahrzehnten rasch erfolgreich aufgegriffen hat. Wurde ursprünglich vor allem nach einem Ersatz für Naturstoffe gesucht, so boten sich bald völlig neue Möglichkeiten mit vollsynthetischen Kunststoffen.

Zum heutigen Zeitpunkt ist sehr viel über den Zusammenhang von Molekülbau, molekularer Ordnung und Werkstoffeigenschaften bekannt. Es können inzwischen maßgeschneiderte Werkstoffe hergestellt werden, die auf die jeweiligen Anwendungen optimiert sind und auch ganz neue Einsatzmöglichkeiten bieten. Zunehmend gewinnen auch wieder Werkstoffe auf der Basis modifizierter natürlicher Makromoleküle und biobasierter Bausteine an Bedeutung.

Die moderne Polymerforschung orientiert sich überwiegend an den Materialeigenschaften, die für Hochtechnologieprodukte gefordert sind. Wissenschaftler aus den Disziplinen Chemie, Biologie, Physik und dem Ingenieurwesen arbeiten sowohl weiterhin an den Grundlagen zur gezielten Synthese möglichst definierter Materialien als auch an der Verfeinerung der analytischen Methoden zur Strukturaufklärung und Eigenschaftskorrelation. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird an der Voraussage der Werkstoffeigenschaften gearbeitet.

Wer sich mit Polymerchemie beschäftigt, muss eine Reihe von Methoden der Naturwissenschaften beherrschen und sich eines vielfältigen Instrumentariums an experimentellen und theoretischen Methoden der Molekül- und Festkörperphysik zu bedienen wissen.

Makromolekulare Chemie kann man nur an einigen deutschen Hochschulen studieren. Da die Ausbildung meist erst nach dem Bachelorstudium beginnt, kann man gegebenenfalls die Hochschule wechseln, um sich im Masterstudium zu spezialisieren.

Zunehmend finden wir die makromolekulare Chemie auch als Vertiefungsfach im Bachelor- oder Masterstudium bzw. dort eingebaut in die Materialwissenschaften. In den Vorlesungen, Seminaren und Praktika werden die Methoden zur Herstellung und Charakterisierung sowie zur Anwendung von makromolekularen Verbindungen und Werkstoffen praktisch und theoretisch erlernt.

Wie die Ausbildung in den Bachelor- und Masterstudiengängen konkret aussieht, ist in den örtlichen Studienordnungen festgelegt. Die Fachgruppe Makromolekulare Chemie der GDCh stellt dazu demnächst einen aktualisierten Hochschulführer zur Verfügung.

Was gehört nun ins Lernpensum des angehenden Polymerchemikers? Neben den Grundlagen der makromolekularen Chemie bieten Themen aus Spezialgebieten der Chemie und Physik makromolekularer Stoffe, außerdem der organischen Synthese, der chemischen Technologie, der physikalischen Chemie, insbesondere der Materialwissenschaften, der Reaktionskinetik, der Kolloidchemie und der Rheologie, der Festkörper- und Grenzflächenphysik, auch der Mathematik und der Biochemie spannende und sinnvolle Ergänzungen.

Die Forschung in den Polymerwissenschaften ist an den deutschen Hochschulen und an den genannten Polymerinstituten außerhalb der Hochschulen breit gefächert (Max-Planck-Institute, Leibniz-Institute, Helmholtzinstitute, Institute der Fraunhofer Gesellschaft). Da sich die makromolekularen Substanzen in der Praxis vielseitig einsetzen lassen, hat auch ein Großteil der Forschung Bezug zur Praxis.

Umweltfreundlichere und ganz neue Syntheseverfahren zu entwickeln, ist dabei eine ebenso große Herausforderung wie die Suche nach neuen Werkstoffen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Gewünscht sind z.B. Materialien mit speziellen optischen Eigenschaften, hoher elektrischer Leitfähigkeit (der Chemie-Nobelpreis wurde im Jahr 2000 für leitfähige Polymere vergeben), hitzebeständige oder biologisch abbaubare bzw. biologisch funktionalisierte Stoffe sowie mechanisch feste Materialien.

Polymerchemiker stehen in der Industrie und Forschungsinstituten viele Möglichkeiten offen. Polymere machen heute einen beträchtlichen Teil der gesamten Chemieproduktion aus, so dass Spezialisten gefragt sind. Zunehmend werden aber auch Polymere für ganz spezielle Anwendungen entwickelt und produziert.

Viele in den letzten Jahren neu entwickelte Polymere finden sich etwa in Autos, Computern, Mobiltelefonen, Gebäuden, Haushaltsgeräten, Verpackungen oder in medizintechnischen Produkten. Viele neue polymere Werkstoffe sind außerdem unabdingbar für die Erzeugung, Speicherung und Umwandung erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie. Elektromobilität steht in direktem Zusammenhang mit Leichtbau, also Polymerhybridmaterialien.

Arbeitsplätze bieten die chemische Industrie (Rohstoffhersteller), sowie die mittelständischen Betrieben der Kunststoffverarbeitenden und Anwenderindustrie, wie z.B. Kunststoff-, Textil-, Lack- und Gummiindustrie (Verarbeiter) und der Abfallwirtschaft. Nicht zuletzt brauchen natürlich auch die Behörden, Forschungsinstitute und Universitäten Nachwuchs.

Voraussetzungen für eine erfolgreiche Karriere als Polymerchemiker sind neben Fähigkeit zur Teamarbeit kreatives und interdisziplinäres Denken. Der Brückenschlag von der Chemie hin zur Physik, den Material- und Ingenieurwissenschaften oder auch zur Molekularbiologie und Biophysik ist der Motor technischer Innovation.

Nur im Zusammenspiel verschiedener Teilbereiche, von Synthese, Strukturaufklärung, Prüfung der Eigenschaften und Verarbeitung von Polymeren, gelingt die Entwicklung moderner Kunststoffe. Der Übergang von der Grundlagenforschung zur Produktentwicklung ist fließend, da neue Werkstoffe und Anwendungen stets neue Fragen an die Grundlagenforschung aufwerfen.

Fach

Makromoleküle bestehen aus Tausenden von Atomen, die über kovalente Bindungen in unterschiedlichster Weise miteinander verknüpft sind. Sie werden aus kleinen Molekülbausteinen, den Monomeren, durch chemische Reaktionen zu Ketten oder Netzwerken zusammengefügt. Diesen chemischen Prozess bezeichnet man als Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition, die dabei entstehenden Verbindungen als Polymere.

Die makromolekulare Chemie ist ein vergleichsweise junger Forschungszweig, deren Ergebnisse die chemische Industrie in den letzten Jahrzehnten rasch erfolgreich aufgegriffen hat. Wurde ursprünglich vor allem nach einem Ersatz für Naturstoffe gesucht, so boten sich bald völlig neue Möglichkeiten mit vollsynthetischen Kunststoffen.

Zum heutigen Zeitpunkt ist sehr viel über den Zusammenhang von Molekülbau, molekularer Ordnung und Werkstoffeigenschaften bekannt. Es können inzwischen maßgeschneiderte Werkstoffe hergestellt werden, die auf die jeweiligen Anwendungen optimiert sind und auch ganz neue Einsatzmöglichkeiten bieten. Zunehmend gewinnen auch wieder Werkstoffe auf der Basis modifizierter natürlicher Makromoleküle und biobasierter Bausteine an Bedeutung.

Die moderne Polymerforschung orientiert sich überwiegend an den Materialeigenschaften, die für Hochtechnologieprodukte gefordert sind. Wissenschaftler aus den Disziplinen Chemie, Biologie, Physik und dem Ingenieurwesen arbeiten sowohl weiterhin an den Grundlagen zur gezielten Synthese möglichst definierter Materialien als auch an der Verfeinerung der analytischen Methoden zur Strukturaufklärung und Eigenschaftskorrelation. Mit Hilfe mathematischer Methoden wird an der Voraussage der Werkstoffeigenschaften gearbeitet.

Wer sich mit Polymerchemie beschäftigt, muss eine Reihe von Methoden der Naturwissenschaften beherrschen und sich eines vielfältigen Instrumentariums an experimentellen und theoretischen Methoden der Molekül- und Festkörperphysik zu bedienen wissen.

Studium

Makromolekulare Chemie kann man nur an einigen deutschen Hochschulen studieren. Da die Ausbildung meist erst nach dem Bachelorstudium beginnt, kann man gegebenenfalls die Hochschule wechseln, um sich im Masterstudium zu spezialisieren.

Zunehmend finden wir die makromolekulare Chemie auch als Vertiefungsfach im Bachelor- oder Masterstudium bzw. dort eingebaut in die Materialwissenschaften. In den Vorlesungen, Seminaren und Praktika werden die Methoden zur Herstellung und Charakterisierung sowie zur Anwendung von makromolekularen Verbindungen und Werkstoffen praktisch und theoretisch erlernt.

Wie die Ausbildung in den Bachelor- und Masterstudiengängen konkret aussieht, ist in den örtlichen Studienordnungen festgelegt. Die Fachgruppe Makromolekulare Chemie der GDCh stellt dazu demnächst einen aktualisierten Hochschulführer zur Verfügung.

Was gehört nun ins Lernpensum des angehenden Polymerchemikers? Neben den Grundlagen der makromolekularen Chemie bieten Themen aus Spezialgebieten der Chemie und Physik makromolekularer Stoffe, außerdem der organischen Synthese, der chemischen Technologie, der physikalischen Chemie, insbesondere der Materialwissenschaften, der Reaktionskinetik, der Kolloidchemie und der Rheologie, der Festkörper- und Grenzflächenphysik, auch der Mathematik und der Biochemie spannende und sinnvolle Ergänzungen.

Die Forschung in den Polymerwissenschaften ist an den deutschen Hochschulen und an den genannten Polymerinstituten außerhalb der Hochschulen breit gefächert (Max-Planck-Institute, Leibniz-Institute, Helmholtzinstitute, Institute der Fraunhofer Gesellschaft). Da sich die makromolekularen Substanzen in der Praxis vielseitig einsetzen lassen, hat auch ein Großteil der Forschung Bezug zur Praxis.

Umweltfreundlichere und ganz neue Syntheseverfahren zu entwickeln, ist dabei eine ebenso große Herausforderung wie die Suche nach neuen Werkstoffen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Gewünscht sind z.B. Materialien mit speziellen optischen Eigenschaften, hoher elektrischer Leitfähigkeit (der Chemie-Nobelpreis wurde im Jahr 2000 für leitfähige Polymere vergeben), hitzebeständige oder biologisch abbaubare bzw. biologisch funktionalisierte Stoffe sowie mechanisch feste Materialien.

Beruf

Polymerchemiker stehen in der Industrie und Forschungsinstituten viele Möglichkeiten offen. Polymere machen heute einen beträchtlichen Teil der gesamten Chemieproduktion aus, so dass Spezialisten gefragt sind. Zunehmend werden aber auch Polymere für ganz spezielle Anwendungen entwickelt und produziert.

Viele in den letzten Jahren neu entwickelte Polymere finden sich etwa in Autos, Computern, Mobiltelefonen, Gebäuden, Haushaltsgeräten, Verpackungen oder in medizintechnischen Produkten. Viele neue polymere Werkstoffe sind außerdem unabdingbar für die Erzeugung, Speicherung und Umwandung erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie. Elektromobilität steht in direktem Zusammenhang mit Leichtbau, also Polymerhybridmaterialien.

Arbeitsplätze bieten die chemische Industrie (Rohstoffhersteller), sowie die mittelständischen Betrieben der Kunststoffverarbeitenden und Anwenderindustrie, wie z.B. Kunststoff-, Textil-, Lack- und Gummiindustrie (Verarbeiter) und der Abfallwirtschaft. Nicht zuletzt brauchen natürlich auch die Behörden, Forschungsinstitute und Universitäten Nachwuchs.

Voraussetzungen für eine erfolgreiche Karriere als Polymerchemiker sind neben Fähigkeit zur Teamarbeit kreatives und interdisziplinäres Denken. Der Brückenschlag von der Chemie hin zur Physik, den Material- und Ingenieurwissenschaften oder auch zur Molekularbiologie und Biophysik ist der Motor technischer Innovation.

Nur im Zusammenspiel verschiedener Teilbereiche, von Synthese, Strukturaufklärung, Prüfung der Eigenschaften und Verarbeitung von Polymeren, gelingt die Entwicklung moderner Kunststoffe. Der Übergang von der Grundlagenforschung zur Produktentwicklung ist fließend, da neue Werkstoffe und Anwendungen stets neue Fragen an die Grundlagenforschung aufwerfen.

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