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. Es werden verschiedene Arten der Polymerisation unterschieden. Technische Polymerisationsreaktionen lassen sich in Kettenpolymerisationen und Stufenwachstumsreaktionen einteilen. 
Kettenpolymerisationen (auch Kettenwachstumsreaktionen) erfolgen über ein aktives Kettenende. Sie lassen sich in radikalische, kationische, anionische und koordinative Kettenpolymerisationen unterteilen.
Stufenwachstumsreaktionen erfolgen über Polykondensation oder Polyaddition.

Biologische Polymerisationsreaktionen verlaufen nach gänzlich anderen Mechanismen, sind wesentlich komplexer und bisher nur in Ausnahmefällen technisch genutzt worden. 

Die makromolekulare Chemie ist ein vergleichsweise junger Forschungszweig innerhalb der Chemie, der im Jahr 2020 auf 100 Jahre sehr erfolgreiche Forschung und Entwicklung zurückschauen kann. Die Ergebnisse der Polymerforschung wurden in der chemischen Industrie in den letzten Jahrzehnten rasch erfolgreich aufgegriffen. Wurde ursprünglich vor allem nach einem Ersatz für Naturstoffe und insbesondere Naturkautschuk gesucht, so boten sich nachdem verstanden war, was Polymere sind und wie man diese gezielt herstellen kann, bald völlig neue Möglichkeiten mit vollsynthetischen Kunststoffen. Unser modernes Leben ist ohne technisch hergestellte und genutzte Polymere undenkbar.

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. Trotz aller Fortschritte liegen Polymermoleküle in Bezug auf Ihre Fähigkeit, Informationen molekular zu speichern und zu vermitteln weit zurück. Bei der systematischen Bearbeitung der Erkenntnislücken weisen Stichworte wie Supramolekulare Chemie, Self-assembly und der Übergang vom Molekül zum Funktionssystem auf wichtige Forschungsgebiete hin.

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, die immer noch an Grenzen stoßen, deren Ursache insbesondere die im Zuge der Verarbeitung und im späteren Gebrauch stattfindenden komplexen Veränderungen sind, die zu neuen Morphologien und Heterogenitäten führen.

Das Ziel muss eine molekular informierte Struktur-Prozess-Eigenschftsbeherrschung sein, die die Veränderung der Polymermaterialien bei bestimmungsgemäßen Gebrauch vorhersagen und damit steuern lässt. Der Umgang mit der Komplexität synthetischer makromolekularer Materialien, Komposite und Funktionseinheiten sind eine gemeinsame Herausforderung für alle, die in diesem Forschungsfeld arbeiten. Ein Schlüssel für zukünftigen Erfolg stellt die Fähigkeit zur Simulation skalenübergreifender Strukturen und Prozesse über den gesamten Zyklus von der Materialbildung, seiner Funktion und Alterung bis hin zur Metathese für eine neue Verwendung dar. 

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.
 

Nur einige deutsche Hochschulen bieten das Studium der makromolekularen Chemie an.  Da die Ausbildung meist erst nach dem Bachelorstudium beginnt, kann man gegebenenfalls die Hochschule wechseln, um sich im Masterstudium zu spezialisieren.

Zunehmend findet sich 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 theoretisch und praktisch erlernt.

Wie die Ausbildung in den Bachelor- und Masterstudiengängen konkret aussieht, ist in den örtlichen Studienordnungen festgelegt. Die Fachgruppe Makromolekulare Chemie der GDCh hat dazu einen aktualisierten Hochschulführer zur Verfügung gestellt. Dieser listet Kontaktpersonen an allen Standorten auf. Für Mitglieder der Fachgruppe steht eine elektronische Version mit Recherchemöglichkeiten und eine gedruckte Ausgabe 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 und Spezialinstitute für spezielle Forschungs- und Anwendungsgebiete). Da sich die makromolekularen Substanzen in der Praxis vielseitig einsetzen lassen, hat auch ein Großteil der Forschung Bezug zur Praxis. Die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der molekularen Materialien erfordert nicht nur eine Intensivierung der Zusammenarbeit von Chemiker, Physikern und Ingenieuren, sondern zunehmend auch mit Mathematikern, Informatikern, Biologen sowie Medizinern. Eine wesentliche Herausforderung für die etablierte Arbeitsweise ist hierbei die Zusammenführung und Quantifizierung deterministischer, stochastischer und heuristischer Methoden. 

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, sodass Spezialisten gefragt sind. Zunehmend werden jedoch auch Polymere für ganz spezielle Anwendungen entwickelt und produziert. 

Viele der in den letzten Jahren neu entwickelten Polymere finden sich etwa in Autos, Computern, Mobiltelefonen, Gebäuden, Haushaltsgeräten, Verpackungen oder in medizintechnischen Produkten. Einige 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 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. In der Konsequenz ergibt sich hier für die Forschung die Notwendigkeit, Konvergenz der disziplinären Kompetenzen als ein neues Paradigma der Wissenschaftsstrategie und –organisation zu etablieren.

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. Es werden verschiedene Arten der Polymerisation unterschieden. Technische Polymerisationsreaktionen lassen sich in Kettenpolymerisationen und Stufenwachstumsreaktionen einteilen. 
Kettenpolymerisationen (auch Kettenwachstumsreaktionen) erfolgen über ein aktives Kettenende. Sie lassen sich in radikalische, kationische, anionische und koordinative Kettenpolymerisationen unterteilen.
Stufenwachstumsreaktionen erfolgen über Polykondensation oder Polyaddition.

Biologische Polymerisationsreaktionen verlaufen nach gänzlich anderen Mechanismen, sind wesentlich komplexer und bisher nur in Ausnahmefällen technisch genutzt worden. 

Die makromolekulare Chemie ist ein vergleichsweise junger Forschungszweig innerhalb der Chemie, der im Jahr 2020 auf 100 Jahre sehr erfolgreiche Forschung und Entwicklung zurückschauen kann. Die Ergebnisse der Polymerforschung wurden in der chemischen Industrie in den letzten Jahrzehnten rasch erfolgreich aufgegriffen. Wurde ursprünglich vor allem nach einem Ersatz für Naturstoffe und insbesondere Naturkautschuk gesucht, so boten sich nachdem verstanden war, was Polymere sind und wie man diese gezielt herstellen kann, bald völlig neue Möglichkeiten mit vollsynthetischen Kunststoffen. Unser modernes Leben ist ohne technisch hergestellte und genutzte Polymere undenkbar.

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. Trotz aller Fortschritte liegen Polymermoleküle in Bezug auf Ihre Fähigkeit, Informationen molekular zu speichern und zu vermitteln weit zurück. Bei der systematischen Bearbeitung der Erkenntnislücken weisen Stichworte wie Supramolekulare Chemie, Self-assembly und der Übergang vom Molekül zum Funktionssystem auf wichtige Forschungsgebiete hin.

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, die immer noch an Grenzen stoßen, deren Ursache insbesondere die im Zuge der Verarbeitung und im späteren Gebrauch stattfindenden komplexen Veränderungen sind, die zu neuen Morphologien und Heterogenitäten führen.

Das Ziel muss eine molekular informierte Struktur-Prozess-Eigenschftsbeherrschung sein, die die Veränderung der Polymermaterialien bei bestimmungsgemäßen Gebrauch vorhersagen und damit steuern lässt. Der Umgang mit der Komplexität synthetischer makromolekularer Materialien, Komposite und Funktionseinheiten sind eine gemeinsame Herausforderung für alle, die in diesem Forschungsfeld arbeiten. Ein Schlüssel für zukünftigen Erfolg stellt die Fähigkeit zur Simulation skalenübergreifender Strukturen und Prozesse über den gesamten Zyklus von der Materialbildung, seiner Funktion und Alterung bis hin zur Metathese für eine neue Verwendung dar. 

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

Nur einige deutsche Hochschulen bieten das Studium der makromolekularen Chemie an.  Da die Ausbildung meist erst nach dem Bachelorstudium beginnt, kann man gegebenenfalls die Hochschule wechseln, um sich im Masterstudium zu spezialisieren.

Zunehmend findet sich 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 theoretisch und praktisch erlernt.

Wie die Ausbildung in den Bachelor- und Masterstudiengängen konkret aussieht, ist in den örtlichen Studienordnungen festgelegt. Die Fachgruppe Makromolekulare Chemie der GDCh hat dazu einen aktualisierten Hochschulführer zur Verfügung gestellt. Dieser listet Kontaktpersonen an allen Standorten auf. Für Mitglieder der Fachgruppe steht eine elektronische Version mit Recherchemöglichkeiten und eine gedruckte Ausgabe 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 und Spezialinstitute für spezielle Forschungs- und Anwendungsgebiete). Da sich die makromolekularen Substanzen in der Praxis vielseitig einsetzen lassen, hat auch ein Großteil der Forschung Bezug zur Praxis. Die zukünftige Forschung auf dem Gebiet der molekularen Materialien erfordert nicht nur eine Intensivierung der Zusammenarbeit von Chemiker, Physikern und Ingenieuren, sondern zunehmend auch mit Mathematikern, Informatikern, Biologen sowie Medizinern. Eine wesentliche Herausforderung für die etablierte Arbeitsweise ist hierbei die Zusammenführung und Quantifizierung deterministischer, stochastischer und heuristischer Methoden. 

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, sodass Spezialisten gefragt sind. Zunehmend werden jedoch auch Polymere für ganz spezielle Anwendungen entwickelt und produziert. 

Viele der in den letzten Jahren neu entwickelten Polymere finden sich etwa in Autos, Computern, Mobiltelefonen, Gebäuden, Haushaltsgeräten, Verpackungen oder in medizintechnischen Produkten. Einige 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 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. In der Konsequenz ergibt sich hier für die Forschung die Notwendigkeit, Konvergenz der disziplinären Kompetenzen als ein neues Paradigma der Wissenschaftsstrategie und –organisation zu etablieren.

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