Talentschmiede: Unsere Nachwuchsgruppen

Die Talentschmiede ist ein integraler Bestandteil der Forschungs- und Transferstrategie des CTC und steht im Einklang mit der übergeordneten Mission, ein Ökosystem für Innovation und Exzellenz in der chemischen Forschung und den zugrunde liegenden Technologien zu fördern. Mit letztlich bis zu 40 unabhängigen Forschungsgruppen fungiert die Talentschmiede als dynamischer Knotenpunkt für die Förderung neuartiger und ambitionierter Ideen sowie kreativer Forschung in den Themenbereichen des CTC.

Die Talentschmiede ist einer der Eckpfeiler der Vision des CTC, denn dort stehen die Förderung von Nachwuchstalenten und die Kultivierung bahnbrechender Forschung im Vordergrund, um wissenschaftliche Entdeckungen und transformative Veränderungen in der chemischen Industrie voranzutreiben. Das CTC unterstützt die Forschung über das gesamte Spektrum von der Grundlagenforschung bis hin zu angewandter Innovation und Technologietransfer und sorgt dafür, dass neuartige Ideen zu wirkungsvollen Lösungen für Gesellschaft und Wirtschaft heranreifen können.

Forschungsgruppe: Computergestützte Bioraffinerien

Warum Biomasse?

Chemie prägt fast jedes Produkt unseres Alltags. Dennoch stammen 90 % der Rohstoffe für die heutige chemische Industrie noch aus fossilen Quellen. Biomasse – wie Mikroalgen oder Lignocellulose aus Holz – bietet eine erneuerbare Alternative. In einer Kreislaufwirtschaft übernehmen Bioraffinerien eine Schlüsselrolle: Sie zerlegen Biomasse in ihre Hauptbestandteile – Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Lipide und Proteine. Diese dienen als biobasierte Vorstufen für Materialien, Lösungsmittel, Schmierstoffe, Additive und Plattformchemikalien. Um das Potenzial der Biomasse vollständig auszuschöpfen, müssen wir ressourceneffiziente Fraktionierungsprozesse mit hohen Ausbeuten entwickeln.

Forschungsziele und Schwerpunkte

  • Computergestütztes Design biobasierter Moleküle und Bioraffinerieprozesse
  • Modellbasierte Vorhersage von Molekül- und Gemischeigenschaften
  • Screening und Design von Lösungsmitteln, Auswahl geeigneter Katalysatoren
  • Modellbasierte Optimierung der Biomassefraktionierung

Mit computergestützten Bioraffinerien schaffen wir die Grundlage für eine biobasierte Kreislaufwirtschaft – nachhaltig vom Bioraffinerieprozess bis zum Endprodukt.

Mehr als Ersatz – Chemikalien zirkulär denken

Der bloße Ersatz fossiler Rohstoffe durch erneuerbare reicht nicht aus. Zukünftige Chemikalien müssen von Anfang an zirkulär gedacht sein: biologisch abbaubar, leicht recycelbar, kompatibel mit geschlossenen Materialkreisläufen und gleichzeitig in der Lage, strenge industrielle Leistungsanforderungen zu erfüllen.

Laura König-Mattern und Tim Tegtmeier

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Dr. Laura König-Mattern und Tim Tegtmeier © Dr. Laura Lintis

“Unsere Arbeit wird von einem Ziel angetrieben: Moleküle zu entwerfen, die eine chemische Industrie ermöglichen, die die Grenzen unseres Planeten respektiert – nachhaltig vom Bioraffinerieprozess bis hin zum Endprodukt.“ – Dr. Laura König-Mattern

Unser Ansatz: Computational Biorefining

Unsere Forschung treibt diese Vision voran. Wir verbinden Molekül- und Prozessdesign mit moderner Modellierung:

  • Vorhersage von Löslichkeiten, Phasengleichgewichten und Verteilungskoeffizienten
  • Entwicklung neuer Extraktionsstrategien für Bioraffinerien
  • Modellbasierte Prozessoptimierung
  • Auswahl geeigneter Lösungsmittel und Katalysatoren
Pilot Project Computational Biorefining

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Fokus auf computergestütztes Molekül- und Prozessdesign, um durch Bottom-up-Entdeckung und Top-down-Design neuartige biobasierte Chemikalien zu entwickeln. © Laura König-Mattern

Nach der Extraktion sollen die biobasierten Vorstufen in zirkuläre Chemikalien umgewandelt werden. Dafür entwickeln wir computergestützte Werkzeuge für das Moleküldesign – Moleküle, die industriell funktional und gleichzeitig zirkulär sind. Aktuell liegt unser Fokus auf lignocellulosebasierten Tensiden. Zukünftig erweitern wir diese Ansätze auf andere Anwendungsbereiche, wie Lösungsmittel, Additive, Schmierstoffe und Polymere.

Unsere Forschungsgruppenleitung

Dr. Laura König-Mattern
Dr. Laura König-MatternGruppenleiterin Computer-gesteuerte Bioraffinerien

Kontakt und weitere Infos

Lehrtätigkeit

  • Wintersemester 2015–2019: Simulationstechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
  • Sommersemester 2020–2023: Systemverfahrenstechnik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
  • Wintersemester 2025/26: Sustainable Systems in Chemistry, Universität Leipzig

Aktuelles

Ausgewählte Publikationen

Forschungsgruppe: Nachhaltige Synthese

Warum Kreislaufwirtschaft in der Synthese?

Die chemische Industrie steht vor der Herausforderung, ihre Abhängigkeit von fossilen Ressourcen zu verringern, Emissionen zu senken und Abfall zu minimieren, während sie weiterhin die Moleküle und Materialien bereitstellt, auf die die moderne Gesellschaft angewiesen ist. Als Schlüsselbranche für Sektoren wie Gesundheitswesen, Lebensmittel, Mobilität und Bauwesen spielt die Chemie eine entscheidende Rolle beim Übergang zu einer nachhaltigeren und widerstandsfähigeren Wirtschaft.

Die Förderung der Kreislaufwirtschaft erfordert neue Ansätze in der chemischen Synthese. Durch die Nutzung erneuerbarer Ressourcen, Abfallströme, Sonnenlicht und Strom als Ausgangsstoffe und Energiequellen kann eine nachhaltige Synthese dazu beitragen, Umweltbelastungen zu verringern und gleichzeitig die Entwicklung wertvoller Chemikalien, Materialien und Technologien für eine zirkuläre Zukunft zu ermöglichen.

Forschungsziele und Schwerpunkte

  • Organische Photokatalysatoren – Entwicklung neuartiger organischer Photokatalysatoren als Ersatz für Schwermetallkomplexe
  • Polyfunktionale Bausteine – Erweiterung des synthetischen Instrumentariums durch Schlüsseltechnologien wie Photochemie und Elektrochemie
  • Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen – Entwicklung robuster und selektiver Reaktionen zur Bildung von C-C-Bindungen, die effizientere Synthesewege ermöglichen
  • Eigenschaftsorientierte Synthese von Verbindungen – Anwendung fortschrittlicher Synthesemethoden zur Herstellung komplexer Zielmoleküle mit gewünschten Eigenschaften

Eine kreislauforientierte chemische Synthese

Durch die Kombination nachhaltiger Synthesetechnologien mit innovativem Reaktionsdesign wollen wir neue molekulare Bausteine, katalytische Systeme und Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen entwickeln. Diese Fortschritte werden die Schaffung von Molekülen und Materialien der nächsten Generation ermöglichen und gleichzeitig den Übergang zu einer kreislauforientierten chemischen Industrie unterstützen.

„Die chemische Synthese ist seit langem eine treibende Kraft für den gesellschaftlichen Fortschritt. Am CTC entwickeln wir neue Werkzeuge und Reaktionen, die eine effiziente, robuste und nachhaltige Synthese von Verbindungen mit gewünschten Eigenschaften ermöglichen und gleichzeitig dazu beitragen, die Chemie kreislauforientierter zu gestalten.“ – Dr. Emmanouil (Manolis) Sofiadis

Unser Ansatz: Auf dem Weg zu einer zirkulären, nachhaltigen Synthese

Unsere Forschung treibt diese Vision voran, indem sie Folgendes entwickelt:

  • Nachhaltige Basistechnologien: Nutzung synthetischer Photochemie und Elektrochemie, um komplementäre und orthogonale Reaktivität (alternative Reaktionswege) zu erschließen und damit neue Ansätze für die chemische Synthese zu ermöglichen.
  • Vielseitige molekulare Bausteine:
    Entwicklung modularer Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen und Reststoffströmen, die die Valorisierung von Ressourcen (Wertschöpfung aus erneuerbaren Ressourcen und Abfallströmen) sowie eine zirkuläre chemische Produktion unterstützen.
  • Robuste Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen:
    Schaffung selektiver und zuverlässiger Umwandlungen, die die effiziente Synthese komplexer Moleküle, funktionaler Materialien und zukünftiger Anwendungen ermöglichen.

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Zusammen erweitern diese Elemente das Spektrum der synthetischen Werkzeuge und ermöglichen die Entwicklung von Molekülen und Materialien der nächsten Generation, die eine kreislauforientierte Chemiewirtschaft unterstützen. Unsere Vision für die organische Synthesechemie steht im Einklang mit den „Moonshots“ des CTC und dem Konzept eines vollständig recycelbaren Autos.

Unsere Forschungsgruppenleitung

Dr. Emmanouil (Manolis) Sofiadis
Dr. Emmanouil (Manolis) SofiadisGruppenleiter Nachhaltige Synthese

Kontakt und weitere Infos

Ausgewählte Publikationen

  • Manolis Sofiadis†, Dongmin Xu†, Anthony J. Rodriguez†, Benedikt Nissl, Sebastian Clementson, Nadia Nasser Petersen, and Phil S. Baran, “Convergent Total Synthesis of (−)-Cyclopamine”, Journal American Chemical Society 2023, 145, 21760 – 21765; https://doi.org/10.1021/jacs.3c09085
  • Manolis Sofiadis, Dr. Dimitris Kalaitzakis, John Sarris, Dr. Tamsyn Montagnon, Prof. Dr. Georgios Vassilikogiannakis, “Vinylogous Reactivity of Cyclic 2-Enones: Organocatalysed Asymmetric Addition to 2-Enals to Synthesize Fused Carbocycles”, Angewandte Chemie Int. Ed. 2019, 131, 6814 – 6818; https://doi.org/10.1002/ange.201901902

Forschungsgruppe: Zirkuläre nachhaltige Polymere

Molecular Design for Recycling – Kunststoffe als unendliche Ressource

Standardkunststoffe stammen aus den 1950er Jahren und wurden nie für Recycling konzipiert. Gleichzeitig ist Europas Anteil an der globalen Kunststoffproduktion in den letzten zwei Jahrzehnten drastisch gesunken. Unsere Forschungsgruppe entwickelt fundamental neue,  massentaugliche Polymere, die molekular so gestaltet sind, dass sie eine echte Kreislaufwirtschaft ermöglichen.

Forschungsziele und Schwerpunkte

  • Polymerchemie – Synthese polyethylen-artiger Materialien mit gezielt eingebauten chemischen Sollbruchstellen für echtes Closed-Loop-Recycling
  • Erneuerbare Rohstoffe – Entkopplung der Kunststoffproduktion vom fossilen Kohlenstoff durch biobasierte Monomere aus Pflanzenölen und Biomasse
  • Design for Recycling – Molekulares Design, das Recyclingfähigkeit und biologische Abbaubarkeit als intrinsische Materialeigenschaft verankert
  • Skalierbare Synthesekonzepte – Übertragung neuer Polymerisationsverfahren und katalytischer Systeme in industrierelevante, skalierbare Prozesse

Warum neue Kunststoffe?

Die heute eingesetzen Kunststoffe wurden auf maximale Haltbarkeit optimiert, jedoch nie für Recycling entwickelt. Ihre extrem stabilen Polymerketten widerstehen nahezu jeder chemischen Zersetzung – eine Eigenschaft, die einst als Triumph galt und heute zur ökologischen Krise beiträgt.

Mechanisches Recycling verliert mit jedem Zyklus an Qualität, energieintensive Pyrolyse ist keine nachhaltige Lösung. Zusätzlich zu besserem Abfallmanagement braucht es ein grundlegend neues Materialkonzept.

“Kunststoffe waren einer der größten Triumphe der Chemie des 20. Jahrhunderts – und ihr größter blinder Fleck. Wir müssen Materialien entwickeln, die genauso leistungsfähig sind, aber von Anfang an für die moderne Kreislaufwirtschaft konzipiert werden.“ – Dr. Manuel Häußler

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Gruppenbild der gemeinsamen Forschungsgruppe „Zirkuläre nachhaltige Polymere“ am CTC und MPIKG in Potsdam © CTC

Unser Ansatz: Molekulares Design für die Kreislaufwirtschaft

Im Zentrum unserer Forschung stehen langkettige aliphatische Polykondensate, deren kristalline Struktur die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Polyethylen nachbildet. Durch gezielt eingebaute sauerstoffbasierte Verknüpfungen (Estergruppen) lassen sich diese Materialien unter milden Bedingungen wieder in ihre ursprünglichen Monomere zerlegen. So ermöglichen wir echtes Closed-Loop Recycling ohne Qualitätsverlust. Bereits bei der Synthese setzen wir auf skalierbare, automatisierte und datengetriebene Verfahren, um Materialeigenschaften von Anfang an gezielt zu steuern.

Perspektivisch erweitern wir unsere Forschung auf  alternative, nachhaltige Rohstoffströme wie Insektenfette aus biologischen Reststoffen sowie auf enzymatische Depolymerisationsprozesse für vernetzte Polymere. Unser Ziel ist eine vollständig geschlossene Materialplattform, die fossile Rohstoffe ersetzt und Hochleistungskunststoffe im industriellen Maßstab zirkulär verfügbar macht.

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Nachhaltiges Insektenfett (Larvae Fat) als biobasierter Rohstoff für die Polymersynthese aus erneuerbaren Quellen. © Dr. Manuel Häußler

Unsere Forschung treibt diese Vision voran:

  • Polyethylen-artige Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen, die ohne Qualitätsverlust in geschlossenen Stoffkreisläufen rezykliert werden können
  • Drop-in-Kompatibilität mit bestehender Industrieinfrastruktur: Verarbeitung über Extrusion, Spritzguss, 3D-Druck und Faserspinnen ohne Umrüstung bestehender Anlagen
  • Inhärente biologische Abbaubarkeit als Sicherheitsnetz gegen die langfristige Akkumulation von Mikroplastik in der Umwelt

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LIST Kneader-Reaktor für skalierbare Polymersynthese – vom Labor- zum Industriemaßstab. © Dr. Manuel Häußler

Unsere Forschungsgruppenleitung

Dr. Manuel Häußler
Dr. Manuel HäußlerGruppenleiter Zirkuläre nachhaltige Polymere

Kontakt und weitere Infos

Lebenslauf Dr. Manuel Häußler

Promotion, Universität Konstanz (2020) – „Polyethylene-Like Building Blocks from Plant Oils for Recyclable Polymers“, AG Prof. Mecking. Deutscher Studienpreis der Körber-Stiftung (2022). Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG), Potsdam. Erstautor der wegweisenden Nature-Publikation „Closed-loop recycling of polyethylene-like materials“ (2021). Mitgründer von aevoloop (2024).

Wissenschaftskommunikation

  • Dr. Häußler engagiert sich intensiv in der Wissenschaftskommunikation und vermittelt die Dringlichkeit einer neuen Kunststoffchemie in Podcasts, öffentlichen Vorträgen und Medienauftritten.

Aktuelles

  • Podcast: SPRIND-Podcast #79 – Manuel Häußler über das Ende der fossilen Kunststoffe: Anhören auf YouTube
  • Podcast: Startup Insider – „Wir verwenden immer noch Kunststoffe aus den 50ern“: 8,25 Mio. € für Plastik 2.0: Anhören auf Apple Podcasts

Ausgewählte Publikationen

  • Häußler, M., Eck, M., Rothauer, D. & Mecking, S. Closed-loop recycling of polyethylene-like materials. Nature 590, 423–427 (2021).