Michael W. Tausch, All We Need Is Light: Photochemische Reaktionen, photostationäre Zustände, Photokatalyse und Lumineszenzphänomene (Photo-, Chemo- und Elektrolumineszenz) sind im Hinblick auf die Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle in der Technik, insbesondere unter dem Desiderat der Leitbilder Green Chemistry und Sustainable Development von erstrangiger Bedeutung. Anknüpfend an natürliche Phänomene, technische Anwendungen und wissenschaftliche Forschung werden im Vortrag experimentelle Zugänge und konzeptionelle Grundlagen zur Wechselwirkung Licht(Quanten)-Materie(Teilchen) entwickelt. Sie bilden die Grundlage für die Einbindung von Photoprozessen in die Lehre der Chemie und benachbarter naturwissenschaftlicher Disziplinen. Zum Internationalen Jahr des Lichts 2015 werden Experimentierkits und didaktische Materialien für Schulen und Universitäten angeboten und im Vortrag präsentiert.

Axel Griesbeck, Sauerstoff und Licht – eine faszinierende Kombination: Ohne Sauerstoff in unserer Atemluft können wir nicht existieren, die Kombination aus Licht und Sauerstoff ist die Grundlage der Photosynthese und somit auch lebensnotwendig für uns. Darüber hinaus können wir sehr froh sein, dass Sauerstoff kein sichtbares Licht absorbiert und angeregte Zustände bildet, dann wäre nämlich sofort Schluss mit diesen nützlichen Eigenschaften. Es ist mit einfachen (photo)chemischen Methoden aber möglich, Sauerstoff anzuregen und völlig neue chemische, materialwissenschaftliche, biologische und medizinische Anwendungen dieses faszinierenden neuen Moleküls, Singulett-Sauerstoff, zu untersuchen. Die Herstellung von neuen Arzneistoffen für die Bekämpfung von Malaria oder der Einsatz von Singulett-Sauerstoff in der Tumortherapie sind nur einige wenige Stichworte. Dieser Vortrag stellt dieses Molekül vor und beschreibt, welche ungewöhnlichen chemischen und biologischen Eigenschaften es aufweist und wie man Singulett-Sauerstoff herstellt, transportiert und umsetzt.

Claudia Bohrmann-Linde, Die Ordnung macht´s – didaktische Erschließung der Flüssigkristalle: Täglich schauen wir darauf und wissen doch meist nur wenig darüber: Flüssigkristalle sind wichtige Bestandteile von Flachbild-Fernsehern, Digitalanzeigen und Handydisplays. Wie können wir uns die Teilchen in einer Flüssigkristall-Probe vorstellen und wie müssen die Teilchen angeordnet sein, damit ein Pixel sichtbar wird?
Im Vortrag werden einfache Experimente zum Thema Flüssigkristalle vorgestellt. Die didaktische Erschließung dieses Themas für Kinder zwischen 8 und 12 Jahren sowie für den Oberstufenunterricht wird präsentiert und aufgezeigt, wie man Schritt für Schritt verständlich machen kann, wie ein LCD-Display funktioniert.

Dominik Wöll, Licht aus dem Nanokosmos - Fluoreszenzmikroskopie in weicher Materie: Moderne Fluoreszenzmikroskopie-Methoden erweitern die Grenzen der optischen Visualisierung von Struktur und Dynamik immer weiter bis in den Nanometerbereich. So kann durch geschickte photophysikalische und photochemische Tricks die durch die Wellennatur des Lichts festgesetzte Beugungsgrenze umgangen werden. Außerdem lässt sich die Bewegung einzelner fluoreszenz-markierter Moleküle, Makromoleküle und Nanoteilchen verfolgen. Der Übergang der Beobachtung vom Ensemble zum individuellen Verhalten einzelner Teilchen erlaubt statistische Analysen von strukturellen und dynamischen Heterogenitäten. Insgesamt ermöglichen Photonen als Informationsträger somit neue Einblicke in die Welt des Nanokosmos, was in meinem Vortrag insbesondere an Hand von synthetisch hergestellten Systemen weicher Materie veranschaulicht wird.

Franz-Peter Montforts, Künstliche Photosynthese und Photodynamische Tumortherapie - Zwei Seiten einer Medaille: Die Leistungen der natürlichen Photosynthese sind enorm. Nahezu sämtliche organische Materie auf der Erde wurde und wird durch Photosynthese erzeugt. Die lichtinduzierte Anregung von Elektronen in den Chlorophyllpigmenten setzt den Photosyntheseprozess durch Elektronenübertragung in Gang. Diesen Primärprozess für künstliche Photosynthese effizient nutzbar zu machen, ist eine der großen Herausforderungen zur Konzeption und Herstellung von organischen Photovoltaikzellen. Ein photophysikalischer Konkurrenzprozess, der Effizienz und Stabilität künstlicher Photosynthesysteme beeinträchtigt und deshalb zurückgedrängt werden muß, kann andererseits genutzt werden, um Chlorophyllpigmente in der photodynamischen Therapie von Krankheiten darunter Krebs anzuwenden.

Ullrich Scherf, Photoaktive Funktionspolymere: Konjugierte Polymere Absorber- und Emitter-Materialien sind für eine Reihe von innovativen Anwendungen von potentiellem Interesse. Organische Chromophore zeigen dabei oft hohe Absorptionskoeffizienten sowie Emissionsquantenausbeuten, und zeichnen sich durch eine Abstimmbarkeit ihrer Energieniveaus durch gezielte synthetische Variationen aus. Die Kombination mit typischen Polymereigenschaften, wie gute Filmbildung und Flexibilität, führt zu vielsprechenden Funktionsmaterialien mit hohem Anwendungspotential.

Stefan Hecht, Schalten mit Licht: Photoschaltbare Verbindungen, sogenannte Photochrome, können verwendet werden, um Prozesse und Materialeigenschaften mit Licht zu kontrollieren. Hierzu müssen derartige Verbindungen in Bezug auf ihre Schalteigenschaften optimiert werden und dann in entsprechende funktionale molekulare Systeme eingebaut werden. Unter Ausnutzung der besonderen Eigenschaften des Lichts, die eine externen Addressierung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen, lassen sich u.a. ferngesteuerte Katalysatoren und Transportvehikel konzipieren sowie photoschaltbare Bauelemente und lichtresponsive Materialien realisieren. Somit stellen photoschaltbare Verbindungen Schlüsselkomponenten zur Herstellung intelligenter Materialien und Systeme dar.

Rainer Herges, Lichtgetriebene molekulare Maschinen: Fast alle ingenieurtechnischen Funktionen, die wir aus unserem Alltag kennen, wie z.B. gerichteter Transport durch Pumpen, Fahrzeuge, Motoren, Sensoren oder Informationsverarbeitung, wurden im Laufe der Evolution schon vor mehr als einer Milliarde Jahren auf molekularer Ebene verwirklicht. In der Natur gibt es Motorproteine, die auf „Proteinstraßen“ entlang wandern und dabei Vesikel als Fracht hinter sich her ziehen. Es gibt Reparaturenzyme, die unablässig an der DNA entlang laufen, nach Fehlern suchen und sie autonom reparieren. Mit ihren molekularen Maschinen ist die belebte Natur der Inbegriff dessen, was wir als Nanotechnologie bezeichnen. In den letzten zwei Jahrzehnten ist die Chemie so weit fortgeschritten, dass wir anfangen die ersten künstlichen, molekularen Maschinen zu bauen. Während die Natur ATP als universellen Treibstoff einsetzt, benutzen Chemiker meist Licht als Energiequelle. Einige Beispiele aus unserer eigenen Forschung, wie z.B. ein lichtsteuerbarer, molekularer Bagger, eine molekulare Maschine die wie ein Nanoroboter andere Moleküle herstellt und schaltbare Kontrastmittel für Hirnoperationen zeigen, wie man vorgeht um aus etwa 100 Atomen zusammengesetzte Maschinen zu konstruieren, die sich mit Licht ansteuern und antreiben lassen.

Robert Liska, Biokompatible Photopolymere für den 3D Druck: Photopolymerisation ist ein relativ alte Technik um dekorative Schichten und Schutzschichtungen für Papier, Karton, Textilien, Kunststoff, Metall etc in Bruchteilen einer Sekunde zu härten. In den vergangen Jahren hat der 3D Druck medial enormes Interesse geweckt da entsprechende Maschinen selbst für den privaten Verbrauch schon zu recht erschwinglichen Preisen erhältlich sind. Moderne und vor allem hochauflösende 3D Druck Verfahren basieren auf der Photopolymerisation. Das Design entsprechender Licht aktivierbarer Moleküle stellt hierbei eine große Herausforderung dar. Besonders für den Einsatz im biomedizinischem Bereich müssen diese und vor allem auch die entsprechenden Monomere geringe Toxizität aufweisen. Im Rahmen dieses Vortrags werden entsprechende Synthesekonzepte für solche organische Bausteine vorgestellt, deren Verhalten materialwissenschaftlich erfasst und deren Biokompatibilität in vitro und in vivo von Biologen und Medizinern untersucht.

Karl Leo, Organische Halbleiter - Materialien im Rampenlicht: In den letzten Jahren haben Bauelemente auf Basis organischer - d.h. vorzugweise aus Kohlenstoff bestehender - Halbleiter große Fortschritte gemacht. Organische Leuchtdioden sind dabei sich, sich in Displays sehr hoher Qualität durchzusetzen und sich auch für Beleuchtungsanwendungen vielversprechend. Organische Solarzellen haben das Potential, neue Anwendungen für flexible und transparente Photovoltaik zu ermöglichen. Dieser Vortrag stellt diese neue Substanzklasse vor und diskutiert, was in Zukunft noch erwartet werden kann.

Klaus Müllen, Faszination Farbe: Was haben Malerei und Chemie gemeinsam? Sie machen und verwenden Farben. Farbstoffsynthese ist eine der ältesten Herausforderungen der Chemie und ein Baustein der industriellen Revolution. Am Beispiel eines besonderen, auf Napthalin fussenden Chromophortyps wird entwickelt, wie jung die scheinbar abgekochte organische Farbchemie ist: Farbstoffe und Pigmente als synthetische Aufgabe, als Aktivkomponenten der Optoelektronik und Nanowissenschaften, als Label in der Biologie, aber auch als Materialien zum Einfärben von Kunststoffen oder als NIR-Absorber im Wärmemanagement. Bei all diesen spannenden Funktionen stellt man fest, dass es nicht nur die molekulare, sondern auch die supramolekulare Struktur zu kontrollieren gilt.

Burkhard König, Chemische Photokatalyse mit sichtbarem Licht: Organische Synthese mit sichtbarem Licht, auch Sonnenlicht, durchzuführen, ist eine alte Idee, die bereits der italienische Chemiker Giacomo Ciamician zu Beginn des letzten Jahrhunderts propagiert hat. In den letzten 15 Jahren wurde das Konzept für die organische Synthese wieder stärker aufgenommen. Oxidations- und Reduktionsreaktionen, Cycloadditionen, Arylierungen und selbst stereoselektive Synthesen können durch sichtbares Licht angetrieben werden. Dazu werden Metallkomplexe, organische Farbstoffe oder anorganische Halbleiter als Photoredoxkatalysatoren eingesetzt. Im Vortrag werden die wesentlichen Grundlagen der Methode vorgestellt und dann die Verwendung in der organischen Synthese an aktuellen Beispielen diskutiert.

Paul Margaretha, Enon/Alken Photocycloadditionen: Seit über 50 Jahre stellt die Photocycloaddition von fünf- und sechs-gliedrigen zyklischen Enonen an Alkene unter Bildung von Cyclobutanderivaten eine der – wenn nicht die – wichtigsten Licht-induzierten präparativ organischen Umwandlungen dar. Die zugehörige Bibliothek ist in den letzten Jahren signifikant erweitert worden. Auf der „Enon-Seite“ wurden erstmals sieben-gliedrige (hetero)cyclische, sowie acyclische Enynone , und auf der „Alken-Seit“ sogar acyclische konjugierte Diene erfolgreich in [2+2]-Photocycloadditionen eingesetzt. Daneben entstehen in einigen dieser Reaktionen durch konkurrierende „End-zu-End“-Zyklisierung der als Zwischenstufen auftretenden doppelt-delokalisierten Biradikale interessante Nebenprodukte mittlerer Ringgrössen.

Jochen Mattay, Photoschalter in der Supramolekularen Chemie und Spektroskopie: Photoschaltbare Moleküle verändern bei Bestrahlung mit Licht einer charakteristischen Wellenlänge nicht nur ihre Struktur sondern auch ihre elektronischen Eigenschaften. Dieses schon seit weit mehr als einem Jahrhundert bekannte Phänomen (ursprünglich als „Photochromie“ bezeichnet) findet in jüngster Zeit viel Beachtung in nahezu allen Bereichen der Chemie, der Physik und den Biowissenschaften. Das reicht von der Steuerung meist organisch-chemischer Synthesen über die Kontrolle der Eigenschaften von Materialien und von biologischen Systemen bis hin zur hochaufgelösten Fluoreszenzmikroskopie (Nobelpreis für Chemie 2014).

Axel Klein, Licht in der Komplex-Chemie – vom alltäglichen Werkzeug zu faszinierenden Anwendung: Licht kann in der Komplex-Chemie natürlich als eine Form von Energie einsetzen um Bindungen in Komplexen zu brechen oder zu knüpfen (Photochemie), dies kann stöchiometrisch oder katalytisch stattfinden. Und durch Absorptions oder Emissions-Spektroskopie kann leicht gezeigt werden, ob sich ein Komplex gebildet hat, oder zerfallen ist. Die beiden Methoden können, zusammen mit der Spektroelektrochemie, aber auch hochgenaue analytische Werkzeuge zur Untersuchung der Elektronenstruktur von Komplexen sein, deren angeregte Zustände oder deren sterische Flexibilität. Und aus all diesen schönen, eher akademischen Beschäftigungen, erwachsen bedeutende und hochinteressante Anwendungen wie die von Komplexen in der Photochemie und Photokatalyse, in Farbreaktionen in der Analytik, in Photosensitizern, oder in lumineszenten, NLO-aktiven oder optoelektronischen Materialien.

Heiko Ihmels, Wie wird das Unsichtbare sichtbar gemacht? Organische Fluoreszenzfarbstoffe in der Chemosensorik: Das menschliche Auge kann mikro- und makroskopisch kleine, farblose Objekte nur sehr schwer oder gar nicht erkennen und ist daher für die Detektion von chemisch oder biologisch relevanten Analyten oder für die Verfolgung physiologischer Prozesse nur eingeschränkt geeignet. Um dennoch Objekte sichtbar zu machen, die das menschliche Auge nicht sehen oder differenzieren kann, werden häufig Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt. Derartige Indikatoren können durch Anregung mit Licht die Anwesenheit und den Aufenthaltsort eines Analyten durch Farbänderung oder durch Aufleuchten anzeigen. Diese Farb- und Leuchteffekte sind selbst mit dem bloßen Auge zu erkennen und auch spektroskopisch mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren, so dass diese Methode insbesondere in den Lebenswissenschaften vielseitig eingesetzt wird. In diesem Vortrag werden die verschiedenen Ansätze und die Funktionsprinzipien zur fluorimetrischen Detektion anhand repräsentativer Beispiele erörtert. Darüber hinaus wird exemplarisch die Entwicklung von Fluoreszenzsonden für die Detektion von Biomakromolekülen vorgestellt.

Arne Thomas, Energie für die Zukunft – Mit Licht zu speicherbaren Energieträgern: In einer Stunde wird genug Sonnenlicht auf die Erde eingestrahlt, um den aktuellen Energiebedarf der Menschheit eines Jahres zu decken. Bedauerlicherweise benötigen wir jedoch gerade dann einen Großteil der Energie, wenn die Sonne gerade nicht scheint. Es ist daher dringend notwendig Wege zu finden, die Energie des Sonnenlichts zu speichern, um sie dann jederzeit nutzen zu können. Ein großes Potential besitzt daher die photokatalytische Erzeugung chemischer Energieträger, wie zum Beispiel die direkte photokatalytische Wasserspaltung zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff kann gespeichert und später z.B. in einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Erforschung und Entwicklung hochaktiver Photokatalysatoren, die in der Lage sind Lichtenergie direkt in speicherbare, chemische Energieträger umzuwandeln ist daher von größtem Interesse. Diese Prozesse ermöglichen dabei nicht nur eine Verbreiterung der energetischen Rohstoffbasis, sondern sind perspektivisch sogar in der Lage, den Hauptteil des globalen Energieverbrauchs zu sichern.

Dirk Guldi, Spectroscopy and design of nanometer scale structures for photoinduced electron transfer processes: Unsere aktuellen Forschungsaktivitäten umfassen die Anwendung einer Vielzahl spektroskopischer und mikroskopischer Techniken zur Charakterisierung von chemischen, physikalischen und photophysikalischen Eigenschaften neuer, molekularer Architekturen. Wir verfolgen neue präparative Strategien hinsichtlich supramolekularer Hybridsysteme, Quantendots, Quantenrods und Nanopartikel. Unsere experimentellen Arbeitstechniken reichen von der Ultrakurzzeitspektroskopie (Absorption und Fluoreszenz) über Schwingungsspektroskopie (Raman und IR) und Elektrochemie bis hin zur Mikroskopie (Raman, TEM und AFM). Als extrem wertvoller Anwendungsbezug in der Praxis dienen molekular-lichtgesteuerte Systeme der Realisierung von Sonnenenergieumwandlung, Photovoltaik und katalytischen Vorgängen.

Horst Kisch, Licht und Halbleiter für die Katalyse chemischer Reaktionen: Anorganische Halbleiterpulver photokatalysieren Wasserspaltung, Fixierung von N₂, CO₂, Sulfoxidation von Alkanen und neuartige, lineare Additionsreaktionen von Olefinen an Imine und 1,2-Diazene. Letztere sind präparativ wertvolle, atomökonomische Reaktionen und können auch auch mit Sonnenlicht durchgeführt werden. Im Reaktionsablauf wirkt der Photokatalysator zumindest bifunktionell. Er ermöglicht durch Adsorption an der Solvens/Festkörper-Grenzschicht eine optimale Anordnung der Substrate und er katalysiert photoinduzierte Elektronenübertragungen mit den Substraten, oft mit einem Protonentransfer gekoppelt. Die primären Redoxprodukte sind meist Radikale, die regio- und stereoselektive C-N- und C-C – Kupplungen zu stabilen Produkten eingehen. Formal gesehen, ähneln diese Reaktionen der natürlichen Photosynthese, in welcher durch Lichtabsorption reduzierende und oxidiere Oberflächenzentren entstehen, die schließlich unter C-C – Kupplung organisches Material produzieren.

Claudia Wickleder, Licht-Lampen-Lumineszenz - von der Grundlagenforschung zur Anwendung: Zurzeit befindet sich die Beleuchtungstechnik durch das EU-weite Glühbirnenverbot in einem drastischen Umbruch, tatsächlich kann durch die Verwendung von modernen LEDs eine beträchtliche Menge Energie eingespart werden. Für einen breiten Einsatz ist allerdings nach wie vor die Entwicklung von neuen Materialien nötig, dazu eignen sich vor allem Eu²⁺- oder Ce³⁺-dotierte Keramiken, aber auch Ressourcen-schonende Leuchtstoffe ohne Seltene Erden. Auch die Entwicklung von optischen Materialien für andere Anwendungen, wie Photovoltaik, Sensorik und Sicherheitsleuchtstoffe, ist ein hochaktuelles Thema. Um gezielt Leuchtstoffe für die entsprechenden Anwendungen entwickeln zu können, ist ein detailliertes Verständnis der optischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Struktur der Verbindungen nötig. Im Vortrag werden einerseits Systeme vorgestellt, die diese Struktur-Eigenschaftsbeziehungen beleuchten, aber andererseits auch solche, die sich für die unterschiedlichen Anwendungen eignen. Für die Applikation ist es außerdem wichtig, nanostrukturierte Leuchtstoffe, also Nanopartikel und MOFs, zu entwickeln, die darüber hinaus ein großes Potential als medizinischen Sensoren bieten. Die Demonstration der Leuchtstoffe rundet den Vortrag ab.