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Makromoleküle programmieren – Wie Alexander Böker zwischen Polymerforschung und Wissenschaftsmanagement pendelt

Chemiker hält zwei PLA-Lochplatten in die Kamera.

Foto: Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP).

Hochleistungsfasern für schnelle Autos, organische Leuchtdioden für flexible Displays, künstliche Augenhornhäute als Implantate – das sind nur einige Dinge, die es ohne die Polymerforschung nicht geben würde. Seit über 20 Jahren entwickelt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) in Potsdam-Golm Polymere, seit 2012 können im dortigen Anwendungszentrum für Innovative Polymerforschung Funktionsmaterialien und entsprechende Technologien zu ihrer Herstellung und Verarbeitung vom Labor- in den Pilotanlagenmaßstab übertragen werden.

Materialien und Verfahren zu entwickeln, die die physikalischen Eigenschaften von Gegenständen verändern, biokompatible Materialien für Implantate und andere Anwendungen in der Medizin, Abfallstoffe, beispielsweise aus der Landwirtschaft, effektiv nutzen: Das alles und viel mehr ist durch Veränderungen in den Strukturen der Makromoleküle, aus denen die Stoffe bestehen, möglich. Seit gut 16 Jahren beschäftigt sich Alexander Böker als studierter Chemiker mit der Polymerforschung. Bereits während seines Studiums arbeitete er an der Cornel University in Ithaca, New York am Department of Materials Science & Engineering und in der zentralen Forschung der Bayer AG Leverkusen, danach als Postdoc am Department of Polymer Science & Engineering an der University of Massachusetts, Amherst, als Wissenschaftlicher Assistent und zwei Jahre später als Lichtenberg-Professor für Kolloidchemie an der Universität Bayreuth, bevor er als stellvertretender Wissenschaftlicher Direktor des DWI-Leibnitz-Instituts für Interaktive Materialien mit Lehrstuhl an der RWTH Aachen tätig war. Seit Februar 2015 ist er nun Leiter des IAP und Professor für Polymermaterialien und Polymertechnologie an der Universität Potsdam. 

Forschen für die Anwendung

Die Polymerforschung scheint inzwischen wie Essen und Trinken zu seinem Leben zu gehören. Böker lenkt die Forschungs- und Entwicklungspolitik des Instituts, prüft, welche Geschäftsfelder sich lohnen könnten, mit welchen Industriepartnern Projekte zu realisieren sind, welche neuen Forschungsbereiche aufgenommen werden sollten. Zugleich bestimmt er die Forschungsausrichtung des Instituts nicht allein, wie er betont. Ein bewährtes Team erfahrener Kollegen steht neben und hinter ihm, das weiß er sehr zu schätzen.

Was ihn an seiner neuen Rolle besonders reizt, ist die Balance zwischen Freiheit in der Forschung an der Universität auf der einen und der Verpflichtung – oder besser gesagt, der Möglichkeit –, praxisorientiert zu arbeiten auf der anderen Seite. „Die Anbindung an die Universität Potsdam ist der große Vorteil des Standortes. Dort, wo Grundlagenforschung ohne den unmittelbaren Ergebnisdruck, in drei bis vier Jahren ein anwendbares Produkt haben zu müssen, möglich wird, können Innovationen gedeihen. Sobald absehbar ist, dass ein Projekt so weit ist, dass man es in die Praxis umsetzen, Partner in der Industrie suchen und ein Produkt entwickeln kann, kommt das Fraunhofer-Institut mit all seiner Entwicklungskraft ins Spiel.“

Der Reiz, etwas zu entwickeln, das eine sinnvolle Anwendung im alltäglichen Leben findet, faszinierte Alexander Böker schon als Kind. Er wuchs in Frankfurt am Main auf, sah beim Großvater, der Chemiker bei Höchst, einst eines der größten Chemie- und Pharmaunternehmen Deutschlands, war, wie im Labor Medikamente zum Beispiel gegen Rheuma entstanden – „aus einem weißen Pulver, dem man gar nicht ansieht, was es alles bewirken kann“. Chemie war auch in der Schule immer sein Lieblingsfach, doch ein Stubenhocker, der das Auf-Bäume-klettern lieber gegen den Chemiebaukasten eingetauscht hätte, war Alexander Böker nie. Dennoch stand für ihn frühzeitig fest: Beruflich sollte es in Richtung Chemie gehen – Chemie, das bedeutet Fortschritt. „Und bei aller Kritik, die es auch gab und gibt, wir wären alle ziemlich nackt, wenn es die Chemie nicht gäbe.“

Neue Methoden – neue Risiken? 

Dass Alexander Böker ausgerechnet bei der Polymerforschung landete, ergab sich während seines Studiums an der Universität Mainz. Die vielseitige Beschäftigung mit den Polymeren begeisterte ihn. „Da steckt viel Technologie dahinter. Es reicht von dem kleinen Molekül, das neu entwickelt wird, über das neuartige Polymer, die innovative Verarbeitungsmethode bis hin zum fast fertigen Produkt, wie zum Beispiel einem Hochleistungskunststoff. Oder biologische Funktionalität aus der natürlichen Umgebung herauszunehmen und in künstliche Systeme einzubringen und so zu verändern, dass sie auch in künstlichen Systemen arbeiten.“

Wenn Alexander Böker über Entwicklungen und Möglichkeiten der Polymerforschung spricht, gerät er ins Schwärmen. „Nicht nur das Portfolio der Methoden wurde immer mehr erweitert, sondern auch ihre Anwendung. Während man vor 20 Jahren noch davon träumte, irgendwann einmal Speicher aus Kunststoff zu bauen, hat IBM vor fünf Jahren den ersten Flashspeicher mit der Polymertechnologie hergestellt. Es hat sich viel getan, auch im Leichtbau, Thema Elektromobilität, oder bei den organischen und anorganischen Leuchtdioden (LED). Flexible Elektronik, das geht nicht ohne polymere Formierungen oder polymere Träger …“ 

Am IAP selbst steht die Programmierung von Polymeren im Fokus. Ziel ist es, die Struktur von Polymeren so zu verändern, dass es möglich wird, Lichtstrahlen einer Leuchtdiode in eine bestimmte Richtung zu leiten, die Festigkeit eines Materials, etwa von Autoreifen, zu steigern oder neuartige Carbonfasern zu entwickeln. Die Anwendungsgebiete sind, nicht zuletzt dank der Weiterentwicklung der Nanotechnologien, vielfältig. Aber gerade die Nanotechnologien stehen wegen der unberechenbaren Risiken für Natur und Mensch immer wieder in der Kritik. Das lässt auch Böker nicht kalt: „Jede Technologie, die man entwickelt, muss natürlich auch gesellschaftsfähig sein. Deswegen ist es wichtig, dass es gute und konsistente Studien darüber gibt, wie gefährlich sie wirklich ist. Das ist auch für uns Forscher wichtig, denn wir wollen nicht enden wie Marie Curie: Neue Elemente entdecken und dann herausfinden, dass sie ungesund oder sogar schädlich sind. Problematisch an der Kritik finde ich lediglich, dass nicht immer die gebotene Ruhe aufgebracht wird. Sie können schließlich vier verschiedene Studien haben über Toxizität von Nanopartikeln und die Kollegen kommen, weil sie verschiedene Aspekte untersucht haben, zu ganz unterschiedlichen Ergebnissen. Kritiker nehmen dann oft nur die Studie heraus, die ihre Kritik stützt. Aber die Wirkmechanismen der Aufnahme von Nanopartikeln im Körper sind ja so vielfältig, dass man eigentlich eine große Forschungsanstrengung benötigt, um diese im Detail zu untersuchen. Kurzum, ich sehe in der Entwicklung der Nanotechnologie im Moment einen großen Nutzen, weil viele technologische Entwicklungen nur in Nano funktionieren können, und man muss es schaffen, das Ganze geordnet anzugehen.“ 

Auf dem Weg zur Industrie 4.0

Böker selbst forscht am IAP ebenfalls zur Ordnung, wenn auch in anderen Zusammenhängen. „Meine Gruppe beschäftigt sich seit Langem mit Phänomenen der Selbstorganisation: Man hat kleine Moleküle, Bausteine, kleine Kugeln (Kolloide), die sich aus ungeordneten Zuständen in hochgeordnete Zustände anordnen können. Das ist der Natur nachempfunden, Prozesse zu generieren, die selbstständig Strukturen herstellen können. Zum Beispiel beim Wachstum von Nervenbahnen. Zellen organisieren sich, werden miteinander verknüpft – und zwar zielgerichtet. Da weiß jeder Baustein, wo er hin muss. Es gibt verschiedenste physikalische Wechselwirkungen, die man einstellen kann. Es ist möglich, aus kleinen Molekülen größere Konstrukte zu bauen, die dann auch mikroskopisch erfassbar sind …“ Die Fähigkeit der Natur zur Selbstreplikation, zum Beispiel bei den DNA- und RNA-Molekülen, möchte Prof. Böker auch auf künstliche Systeme übertragen und Materialien schaffen, die sich selbst kopieren können. Die Kolloidketten, die dabei entstehen, sollen zudem in der Lage sein, sich selbstständig in einer definierten Struktur anzuordnen. Ehrgeiziges Ziel ist, dass man möglicherweise die einzelnen „Zutaten“ in eine Lösung gibt und die Strukturen sich dann selbst herstellen.

Doch das ist noch Zukunftsmusik. Was die betrifft, hält sich Alexander Böker an den Spruch: Vorhersagen sind schwierig, vor allem wenn sie die Zukunft betreffen. „Was die Entwicklungen in der Chemie betrifft, werden die Leichtbaumaterialien immer mehr ,an Gewicht‘ gewinnen; die polymeren Materialien werden immer ausgefeiltere physikalische Funktionalitäten bekommen – alles in Richtung Industrie 4.0, wo das verarbeitete Werkstück durch Sensoren mitteilt, ob die Struktur in Ordnung ist, und wie es weiterverarbeitet werden soll. Die Sensoren müssen klein, schlau und billig sein. Und die Polymere müssen auch noch stärker biologische Funktionalitäten bekommen, also Polymere, die aus biologischen Grundbausteinen bestehen. Das eröffnet einerseits neue Anwendungsmöglichkeiten und vermindert andererseits die Abhängigkeit vom Erdöl. Denn wie wir wissen, sind die Ressourcen begrenzt.“ Da gibt es noch viel Entwicklungspotenzial, davon ist Alexander Böker überzeugt.

Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP)

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) bietet ein breites Spektrum an Forschungs- und Dienstleistungen an, die sich an den Wünschen und Bedürfnissen seiner Kunden aus der Wirtschaft orientieren, gewissermaßen »maßgeschneiderte« Lösungen. Es wird an biobasierten und synthetischen Polymeren gearbeitet, um Endprodukte zum Beispiel immer langlebiger, säureresistenter, temperaturbeständiger, stabiler, pflegeleichter, gesundheitsverträglicher, umweltfreundlicher, kostengünstiger … und immer einfacher und energiesparender herstellen zu können. Dafür entwickelt das Institut innovative und nachhaltige Materialien, Verfahren und Produkte, die speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung zugeschnitten sind und schafft die Voraussetzungen dafür, dass die entwickelten Verfahren nicht nur im Labormaßstab, sondern auch unter Produktionsbedingungen funktionieren.

Text: Ingrid Kirschey-Feix
Online gestellt: Agnetha Lang
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktion@uni-potsdam.nomorespam.de