Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

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BIANNUAL REPORT2005-2006www.mpikg.mpg.de

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Cover illustrated by pigurdesign © 2007

Die Abbildung zeigt eine Bruchfläche von Perlmutt.Dieses organisch-anorganische Hybridmaterial besitzt im direkten Vergleich zu seinem Hauptbestandteil Aragonit die dreitausendfache Bruchfestigkeit. Perlmutt ist damit ein Beispiel für ein Biomaterial, von dem wir mehr über optimiertes, mechanisches Materialdesign lernen können.

The image shows a fracture surface of Nacre (Mother of Pearl). This organic-inorganic layered hybrid material has a 3000-fold fracture resistance compared to its main aragonite mineral component. This is an example for a Biomaterial archetypeto learn about optimized mechanical material design.

Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

BIANNUAL REPORT2005-2006

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INHALTSVERZEICHNISTABLE OF CONTENTS

Vorwort 6Preface 8Prof. P. Fratzl

Das Institut in Zahlen 10The Institute in Numbers 12

Das Forschungsprogramm des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) 14The Research Program of the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPIKG) 17Prof. M. Antonietti · Prof. P. Fratzl · Prof. R. Lipowsky · Prof. H. Möhwald

Wissenschaftliche Beziehungen 20Scientific Relations 22

Internationale Max Planck Research School (IMPRS) über Biomimetische Systeme 24International Max Planck Research School (IMPRS) on Biomimetic Systems 26Prof. R. Lipowsky · Dr. A. Valleriani

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit 28Press and Public Relations 29K. Schulze

BIOMATERIALS

Research in the Department of Biomaterials · Prof. P. Fratzl 32

Biological MaterialsPlant Systems Biomechanics · Dr. I. Burgert 34Bone Material Quality and Osteoporosis Research · Prof. P. Fratzl 36Mineralized Tissues · Dr. H. S. Gupta 38Bone Regeneration · Dr. M. Inderchand 40Mechanobiology · Dr. R. Weinkamer 42

Biological and Bio-Inspired MaterialsBiological and Bio-Inspired Materials · Dr. B. Aichmayer, Dr. R. Elbaum, Dr. P. Zaslansky, Prof. P. Fratzl 44

Bio-Inspired MaterialsMesoscale Materials and Synchrotron Research · Dr. O. Paris 46

COLLOID CHEMISTRY

Research in the Department of Colloid Chemistry · Prof. M. Antonietti 50

Heterophase PolymerizationPolymer Dispersions/Heterophase Polymerizations · Dr. K. Tauer 52

Self-Organizing PolymersBiohybrid Polymers · Dr. H. Schlaad 54Polymer-Bioconjugates as Macromolecular LEGO® - Bricks · Dr. H. Börner 56Biomimetic Mineralization · Dr. H. Cölfen 58

Mesoporous Materials and NanoparticlesOrganic Chemistry Meets Inorganic Materials Synthesis · Dr. M. Niederberger 60

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Mesoporous “Non-Oxidic” Materials · Dr. A. Thomas 62Synthesis and Characterization of Self-assembled Inorganic Materials · Dr. B. Smarsly 64

Modern Techniques of Colloid AnalysisFractionating Colloid Analytics · Dr. H. Cölfen 66Electron Microscopic Studies of Colloidal Systems and Biomaterials · Dr. J. Hartmann 68Light Scattering at Interfaces · Dr. R. Sigel 70

INTERFACES

Research in the Department of Interfaces · Prof. H. Möhwald 74

(Quasi) Planar Interfaces – Fluid InterfacesInteractions at Interfaces: Langmuir Monolayers as Model Systems · Dr. G. Brezesinski 76Thin Soft Films · Dr. R. Krastev 78Dilational Rheology of Mixed Protein-Surfactant Adsorption Layers · Dr. R. Miller 80Ion Distribution at Interfaces · Dr. H. Motschmann 82

Solid InterfacesNucleation, Interfacial Molecular Mobility and Ordering of Alkanes at Solid/Vapor Interfaces · Dr. H. Riegler 84

Non-Planar InterfacesNanoscale Membranes: Narrowing the Gap between Materials Science and Biology · Dr. A. Fery 86From Molecular Modules to Modular Materials · Dr. D. G. Kurth 88Biomimetic Vectorial Electron Transfer · Prof. H. Möhwald 90Active Coatings Based on Incorporated Nanocontainers (Nanofuture Group) · Dr. D. Shchukin 92Multifunctional Polymer Micro-Capsules · Dr. G. Sukhorukov 94Ordering of Functionalized Nanoparticles · Dr. D. Wang 96

International Joint Laboratory Molecular Assemblies of Biomimetic Systems and Nanostructures · Prof. J. Li 98

Research Group Nanotechnology for Life ScienceHybrid MPG/FhG Research Group “Nanotechnology for Life Science” & Golm Campus Initiative “Bioactive Surfaces” · Dr. J.-F. Lutz 100

THEORY & BIO-SYSTEMS

Research in the Department of Theory & Bio-Systems · Prof. R. Lipowsky 104

Polymers and ProteinsPeptide Folding, Aggregation and Adsorption at Interfaces · Dr. V. Knecht 106Protein Folding · Dr. T. Weikl 108Polymer Brushes · Dr. C. Seidel 110

Molecular MotorsChemomechanical Coupling of Molecular Motors · Prof. R. Lipowsky 112Cooperative Transport by Molecular Motors · Dr. S. Klumpp 114

Rods and FilamentsPolymerization of Filaments · Dr. J. C. Shillcock 116Semiflexible Polymers and Filaments · Dr. J. Kierfeld 118Fractionation and Low-Density-Structures in Systems of Colloidal Rods · Dr. T. Gruhn 120

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Membranes and VesiclesExploring Vesicle Fusion with Dissipative Particle Dynamics · Dr. J. C. Shillcock 122Unveiling Membrane Fusion · Dr. R. Dimova 124Electro-Deformation and -Poration of Vesicles · Dr. R. Dimova 126Molecular Recognition in Membrane Adhesion · Dr. T. Weikl 128

Networks in Bio-SystemsActivity Patterns on Scale-Free Networks · Prof. R. Lipowsky 130Stochastic Modeling in Ecology and Evolution · Dr. A. Valleriani 132

InstrumentationHolding with Invisible Light: Optical Trapping of Small and Large Colloidal Particles · Dr. R. Dimova 134

APPENDIX

OrganigrammOrganization Chart 138

FachbeiratScientific Advisory Board 140

DrittmittelprojekteThird Party Funds 141

Ausgewählte VeranstaltungenSelected Events 149

Wissenschaftliche AbschlüsseScientific Degrees 150

PersonalienAppointments and Honors 153

Wissenschaftliche Veröffentlichungen und PatentePublications and Patents 154

Kolloide sind Teilchen oder Tröpfchen im Maß-stab von weniger als einem Tausendstel Milli-

meter. Auch wenn man Teilchen dieser Größe ohne Mikroskop nicht sehen kann,sind sie doch allgegenwärtig. Praktisch allenatürlichen Gewebe in der belebten Natursind aus Kolloiden aufgebaut. Sie finden

sich auch in Farben, Cremes, Lebensmitteln,Medikamenten. Sehr viele dieser kleinen

Objekte müssen zusammengefügt werden, bisein sichtbarer und handhabbarer Gegenstand

entsteht. Kolloidale Strukturen oder Materialien ent-halten daher eine Vielzahl von Grenzflächen. Aus diesem

Grund ist die Forschung an Kolloiden nicht von jener an Grenz-flächen zu trennen. Da die typische Größe von Kolloiden imBereich von Nanometern bis Mikrometern liegt, ist die For-schung an Kolloiden und Grenzflächen auch ein Teil der Nano-wissenschaften.

Die Kolloid- und Grenzflächenforschung ist aber aucheine Wissenschaft, die in besonderem Maße von einer che-misch-physikalischen Betrachtung der Natur und einem bio-mimetischen Ansatz profitiert. Dabei werden Strukturen undBauprinzipien, welche die Natur im Laufe der Evolution ent-wickelt hat, in künstliche Systeme und Materialien übertra-gen. Die Natur beherrscht es perfekt, aus nanometergroßenBausteinen (Kolloiden) funktionelle Systeme wie Organe oderganze Lebewesen zu assemblieren. Diese Möglichkeiten derSelbstaggregation spielen heute in der Chemie eine wesent-liche Rolle und erlauben die direkte Synthese von komplexen,oft organisch-anorganischen Hybridsystemen mit interessan-ten physikalischen Eigenschaften. Auf diese Weise könnenMaterialien hergestellt werden, die sich nicht nur selbstassemblieren, sondern sich auch an äußere Einflüsse anpas-sen oder nach einer Beschädigung heilen können. Die Eigen-schaften solcher hierarchisch aufgebauter Materialien sindnur schwer zu untersuchen und noch schwerer vorherzusagen.Die Kolloid- und Grenzflächenforschung befasst sich daherauch mit der Physik von hierarchischen Materialien. SpezielleMesstechniken sind in diesem Bereich erforderlich, die es

erlauben, Strukturen und – vor allem – Struktur-Funktions-Beziehungen über einen weiten Größenbereich von den kollo-idalen Bausteinen bis zu makroskopischen Dimensionen zuerforschen. Schließlich ist Bewegung eine besondere Eigen-schaft der belebten Natur, die in der Erforschung von aktivenMaterialien oder molekularen Motoren ihre Entsprechung findet.

Folgerichtig hat sich die Forschung an biomimetischenSystemen zu einer zentralen Aktivität des Potsdamer Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschug ent-wickelt. Das Institut besteht aus vier Abteilungen, die dieseThematiken aus verschiedenen Wissenschaftsdisziplinen her-aus ansprechen. Die Forschung an Kolloiden und Grenzflächenumfasst die chemische Synthese and Analyse, die physikali-sche Beschreibung von Struktur, Eigenschaften und derenBeziehung, und die theoretische Modellbildung. Eine Verstär-kung in Richtung biomolekularer Systeme wird diskutiert.

Auf Grund des interdisziplinären Forschungsgebietes istder Personalstand des Instituts in mehrerer Hinsicht bunt.Zunächst betrifft das die wissenschaftliche Grundausbildungder Forschenden. Diese reicht von Chemie, Physik, Mathema-tik, Materialwissenschaft bis zur Biologie, Biochemie undsogar Medizin. Bunt ist auch die Herkunft der Wissenschaft-lerInnen, die je zu einem Drittel aus Deutschland, aus Europaund aus anderen Kontinenten stammen. Trotz dieser interna-tionalen Ausrichtung ist das Institut sehr stark mit allen großen Universitäten in Potsdam und Berlin verbunden. Das drückt sich durch regelmäßige Lehrtätigkeit der Institutsmit-arbeiter aus, aber auch durch eine Vielzahl von gemeinsamenForschungsprojekten, zum Beispiel in Sonderforschungs-bereichen oder EU-Netzwerken. Gemeinsam mitder Universität Potsdam und der HumboldtUniversität zu Berlin betreibt dasInstitut die Internationale MaxPlanck Research School onBiomimetic Systems.

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Vorwort

Die Forschungstätigkeit des Instituts ist grund-lagenorientiert, aber dennoch anwendungsnah.Es gibt zusätzlich zu den Publikationen auchAnknüpfungspunkte und gemeinsame Projektemit der Industrie, zum Beispiel in den BereichenChemie, Werkstoffe, Pharma oder Medizin. DiesesBuch enthält eine Vielzahl von Beispielen interessanterund wichtiger Forschungsergebnisse, berichtet jeweils aufzwei Seiten von den Forschern und Forscherinnen selbst.Mein herzlicher Dank gilt Ihnen und den Mitarbeitern und Mit-arbeiterinnen in den technischen Bereichen und der Verwal-tung, die gemeinsam diese Erfolge möglich gemacht haben.

In vielen der in diesem Buch besprochenen Forschungs-themen nimmt das Max-Planck-Institut eine bedeutende, oftsogar führende Stellung ein. Das wichtigste aber ist die Freudean der Forschung selbst. Erst diese Freude führt dazu, dassneue Themen mit Begeisterung aufgegriffen, Kooperationenquer über alle Fachgebiete konstruiert und echte Durchbrücheerzielt werden. Ich hoffe, dass Sie diese Begeisterung anmanchen Stellen dieses Buches spüren und dass sich unsereFreude an der Kolloid- und Grenzflächenforschung auch aufSie überträgt.

Peter FratzlGeschäftführender Direktor 2005-2006

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Colloids are particles or droplets in the size range below athousandth of a millimetre. Particles of this size can not beseen without microscope, but they are omnipresent in theworld around us. Practically all natural tissues in plants oranimals are based on colloidal structures. Colloids are alsofound in paints, crémes, food or drugs. Many of these tinyparticles have to be assembled to obtain a visible object. Asa consequence, colloidal structures and materials contain alarge amount of internal surface area between those parti-cles. Therefore, research on colloids can not be separatedfrom research on interfaces. Given the typical dimension ofcolloids in the range between nanometres and micrometres,colloid and interface science is also an important branch ofthe nanosciences.

Colloid- and interface science particularly profits from abiomimetic approach, where natural tissues are studied withthe methods of chemistry and physics. Indeed, most func-tional natural systems, such as organs or whole organisms

are assembled from nanometer sized building blocks. Thegoal of biomimetic research is to find out how nature

has optimized biological structures during evolutionand to use these principles to design new artificialbiomimetic materials and systems. Self-assembly isone of these biomimetic principles and plays animportant role in the chemical synthesis of complex

molecular systems or hybrid materials with interest-ing physical properties. Using other approaches, the

synthesis of materials with adaptive or even self-healingproperties becomes conceivable. Controlled movement and

motility are special properties of natural materials, and bio-mimetic research includes the study of active materials ormolecular motors. Finally, complex materials with hierarchi-cal structure require special methods of investigationwhich are able to characterise structure-function relations from the colloidal tothe macroscopic size ranges.

As a consequence, researchon biomimetic systems hasbecome a central activity inthe Max Planck Institutein Potsdam. The Insti-

tute has currently four Departments whoaddress this topic as well as other subjects incolloids and interfaces from the viewpoint of dif-ferent disciplines. Research covers chemical syn-thesis and analysis, physical description of structure,properties and their relationships, as well as theoreticalmodelling. A strengthening of the Institute in the directionof biomolecular systems is currently under discussion.

Due to the interdisciplinarity of the research fields, thescientists in the Institute have quite different scientific back-grounds. Their basic training reaches from Chemistry,Physics, Mathematics and Materials Sciences to Biology,Biochemistry and even Medicine. The origin of the scientistsis also quite varied. About one third are from Germany,another third from Europe (excluding Germany) and the lastthird from the rest of the world, with a strong communityfrom Asia, in particular China and India. Despite its interna-tional orientation, the Max Planck Institute of Colloids andInterfaces is closely tied to the major Universities in Potsdamand Berlin. This is expressed in particular by continued teach-ing activities by members of the MPI, but also by a number ofjoined scientific projects, for example in the framework ofEU-Projects or collaborative research centres financed by theGerman Science Foundation (DFG). The International MaxPlanck Research School on Biomimetic Systems, a graduateprogram, is run together with Potsdam University and Hum-boldt University Berlin.

The Institute is devoted to basic research but the topicsare often close to possible applications. Therefore, in addi-tion to publications in peer-reviewed journals, there are alsocontacts to and joint projects with industry, for example withchemical, materials or pharmaceutical industry. This book

contains many examples of exciting and importantresearch results reported by the scientists

working on these topics. I would like tothank them as well as all the techni-

cal and administrative membersof the Institute who made this

success possible in a contin-uous joint effort.

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Preface

TheMax PlanckInstitute of Colloidsand Interfaces holds an importantand sometimes leading position in some of the research topicscovered by this book. The most important, however, is thepleasure associated with our scientific work. Only this enthu-siasm makes it possible to pick up new exciting topics, buildcooperations across disciplines and reach ground breakingresults. I hope that you will feel this enthusiasm in readingthe book and that we are able to convey to you some of ourpleasure on working in colloid and interface science.

Peter FratzlManaging Director 2005-2006

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I. PersonalAbb.1 zeigt deutlich, dass sich die Mitarbeiterzahl des Insti-tuts einer Höchstgrenze von 270 genähert hat. Die Zahl wirdeinerseits durch den vorhandenen Platz beschränkt, der ca.4000 m2 beträgt und andererseits durch die Zahl derPlanstellen. Die insgesamt vierzig angestellten Wissen-schaftler können zudem nicht mehr als derzeit 150 Studentenund Postdocs ausbilden. Aber auch die siebzig Mitarbeiter inVerwaltung und Technik sind an der Grenze der personellenAuslastung.

Abb.2 demonstriert den stetigen Zuwachs an Doktorandenseit 2001. Das Jahr 2001 korrespondiert gleichzeitig mit einersehr geringen Zahl an Diplomarbeiten in den Fächern Physikund Chemie in Deutschland. Der Anstieg der deutschen Stu-dentenzahlen seitdem wird deutlich in der hier gezeigtenGraphik. Die Zahl der ausländischen Studenten stieg ebensoaufgrund von speziellen europäischen Förderprogrammen.

Abb.3 Der Anteil der ausländischen Studenten und Postdocsam Institut beträgt konstant um 70%. Mehr als 50% derangestellten Wissenschaftler sind aus Westeuropa, 20%jeweils aus Osteuropa und China und 10% aus Indien. DieseZahlen zeigen, dass das Institut sehr international aus-gerichtet ist und viele junge Wissenschaftler aus der ganzenWelt ausbildet.

EtatDer Gesamtetat hat sich mit der Erweiterung des Institutsdurch die Abteilung Biomaterialien im Jahr 2003 weitererhöht. Die Förderung durch Drittmittel betrug mit einigenSchwankungen in den letzten Jahren 2 Mio. EUR (siehe Abb. 4).Der hohe Anteil von DFG-Mitteln resultiert aus derFinanzierung von zwei Nachwuchsgruppen (Emmy Noether),die relativ hohe nichtöffentliche Förderung in den Jahren2002/2003 aus den Preisgeldern für eine weitere Nach-wuchsgruppe (Sofia Kovaleskaya). Darüber hinaus lassensich folgende Trends feststellen (Abb. 5):

Das Institut in Zahlen

Abb.1

Abb.2

Abb.3

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· Die direkte Förderung durch das Ministerium für Bildungund Forschung (BMBF) ist auf einen unerheblichen Betragzusammengeschrumpft. Aufgrund neuer Richtlinien werden Max-Planck-Forscher jetzt von den regulären Programmen ausgeschlossen.

· Darüber hinaus werden viele Wissenschaftler auch ausdem DFG-Normalverfahren ausgenommen. Dies konntedurch stärkere Beteiligung an Schwerpunkten und Sonder-forschungsbereichen kompensiert werden.

· Die Beschränkungen auf der nationalen Ebene werdengrößtenteils durch eine stärke Mitwirkung in EU-Program-men ausgeglichen. Diese Tendenz wird sich weiter fort-setzen.

· Die Industrieförderung beträgt ca. 15% der Drittmittel undentspricht der grundlagenorientierten Ausrichtung desInstituts.

Wissenschaftliche Ergebnisse und deren EinflussDie Qualität von wissenschaftlicher Arbeit lässt sich nurschwer messen. Dennoch zeigt Abb. 6 als vorsichtige, quanti-tative Schätzung, dass die Anzahl von Publikationen in sogenannten ISI Journals stetig auf jährlich 250-300 angestiegenist. Die Zahl der Zitierungen hat mittlerweile sogar 9000 proJahr überschritten. Damit kann sich das Institut mit deutlichälteren und größeren Instituten messen. Der wissenschaft-liche Einfluss wird auch in dem aktuellen Ranking der Hum-boldt-Stiftung deutlich. Ausgewertet werden die Entschei-dungen ausländischer Spitzenwissenschaftler, die mit einemStipendium oder einem Preis der Alexander von Humboldt-Stiftung ihren Arbeitsplatz an einer deutschen Forschungsin-stitution frei wählen können. Darin belegt das Institut denzweiten Platz innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft.

Abb.5

Abb.6 a

Abb.6 b

Abb.4

I. PersonnelFig. 1 shows that the number of employees in the institutehas reached a saturation near 270. This is on one hand limitedby the space which amounts to about 4000m2 on the otherhand by the staff. The 40 staff scientists cannot train morethan the present 150 students and postdocs, and also the 70 administrative and technical personnel are at the limits ofcapacity.

Fig. 2 demonstrates a steady increase of the number of PhDstudents since 2001. This year corresponded to a minimumnumber of diploma in physics and chemistry in Germany, andthe recovery since then is reflected in the number of Germanstudents. The number of foreign students now increases dueto specific European programmes.

Fig.3 The fraction of foreign students and postdocs is steadi-ly around 70% but also more than 50% of the staff scientistsare from Western Europe, 20% each from Eastern Europe andChina, respectively, 10% from India. These numbers alto-gether show that the institute is truly international and thatit trains many young scientists.

II. BudgetWhereas the overall budget has seen an increase since theextension by the Biomaterials department in 2003, the fund-ing has remained steadily around 2 Mio Euro with some fluc-tuations between years and funding sources as sketchedbelow (Fig. 4). The specially high total DFG funding in 2005was due to the budgeting of two junior research groups(Emmy Noether) and the specially high non-public funding in2002/2003 was due to a special award for a junior group(Sofia Kovaleskaya) counted then. Beyond these the specialtrends are the following: (Fig. 5)

The Institute in Numbers

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Fig.1

Fig.2

Fig.3

· The funding by the Ministry of Research and Technology(BMBF) has decayed to a nearly negligible amount. This has been politically enforced by new rules of thegovernment excluding Max-Planck researchers from theirregular programmes.

· Moreover, many of our researchers have been excludedfrom the regular DFG programmes. It could partly be compensated by stronger participation in priority programmes.

· The limitations on the national level could largely be overcome by a stronger involvement in EU-programmes,and this tendency will continue.

· The industry support amounts to around 15% of the funding. This is a accordance with the basic science mission of the institute.

III. Scientific Output and ImpactObviously the quality of work is difficult to measure. As aquantitative estimate Fig. 6 shows that the annual number ofpublications in ISI journals has steadily increased towards250 -300. The number of citations has meanwhile reached alevel above 9000 per year which is comparable to values ofmuch older and larger institutes. This increased impact isalso reflected in the recent ranking of the Humboldt founda-tion, measuring the number of excellent young scientists hav-ing selected their host institute in Germany, where we areranked second among all MPI’s.

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Fig.5

Fig.6 a

Fig.6 b

Fig.4

Die Kolloid- und Grenzflächenforschung befasst sich mit denStrukturen, die zwischen den Größenbereichen „Nano“ und„Mikro“ liegen und daher auch als Welt der verstecktenDimensionen bezeichnet werden. Darüber hinaus ist sie inder Lage, die Brücke zwischen Molekülen und biomimetischenMaterialien oder biologischen Geweben zu schlagen. Wie inAbbildung 1 zu sehen, sind zwei grundlegende Aspekte beson-ders bedeutend für die Forschung. Zum einen ermöglicht dasVerständnis der strukturellen und dynamischen Hierarchien,kolloidale Strukturen mit größeren Einheiten zu verknüpfen.Zum anderen stellt die Aufklärung der generellen Mechanis-men und Prinzipien, die auf biomimetische und biologischeSysteme gleichermaßen angewendet werden können, eineneinheitlichen, konzeptuellen Rahmen dar.

Die Forschung am MPl für Kolloid- und Grenzflächen-forschung basiert auf der Fachkenntnis von vier Abteilungen,die ein breites Spektrum an Methoden und Werkzeugen aufchemische Synthese, neue Materialien, physikalische Charak-terisierung und theoretische Modellierung anwenden.

Die vielfältige Funktionsweise biomimetischer und biolo-gischer Systeme hängt größtenteils von Struktur undDynamik der Kolloide und Grenzflächen auf submikroskopis-cher Ebene ab. So können eine relativ kleine Menge von 20Aminosäuren und vier Nukleotiden eine Vielzahl biologischerPolymere, Proteine und DNA mit nanometergroßen Struk-turen ausbilden. Diese werden dann zu Filamenten, Mem-branen, Ribosomen und verschiedenen Biokolloiden zusam-mengebaut, die sogar Mineralien enthalten können. DieseStrukturen bilden die Grundlage der extrazellulären Matrixund der Zellen selbst und sind wesentlich für jeden lebenden

Organismus. Der Schritt vom biologischen Polymer zur leben-den Zelle läuft im Nanometer- und Mikrometerbereich ab undist entscheidend für die Funktionalität eines jeden Organis-mus’. In Analogie dazu hängen die Funktionalität von bio-mimetischen Materialien und deren mechanische, optischeoder magnetische Eigenschaften in hohem Maße von denStrukturen ab, die auf der Nano- bis Mikrometerskala erzeugtwerden.

Kolloide und GrenzflächenDie aktuelle Forschung am Institut konzentriert sich auf dieSynthese, den Aufbau und die Analyse von natürlichen undkünstlichen Mehrkomponenten-Systemen. Der fachüber-greifende Ansatz, der Physik, Chemie, Materialwissen-schaften und Biowissenschaften umfasst, setzt sich aus fol-genden Aktivitäten zusammen: Studium von Struktur- bzw.Funktionsbeziehungen in hierarchischen biologischen Materi-alien; Synthese und Aufbau von experimentellen Modellsys-temen; Experimentelle Systemcharakterisierung; Entwicklungund Analyse von theoretischen Modellen.

Die Interaktion von Experiment und Theorie ist not-wendig, um ein tieferes Verständnis kolloidaler Ordnung zuerlangen. Diese Erkenntnisse werden für die Verbesserungdes Systemdesigns, die Leistungsoptimierung und dieErhöhung der Zuverlässigkeit eingesetzt. Auf diese Weisewird unsere Forschung die künftige Technologie und im Zugedes besseren Verständnisses biologischer Systeme auch diebiomedizinischen Wissenschaften maßgeblich beeinflussen.So sind z.B. kolloidale Wirkstoff-Transportsysteme oderVeränderungen des Knochenmaterials aufgrund von Krank-heit oder medizinischer Behandlung denkbar.

Die Synthese von funktionalen kristallinen oxidischenNanopartikeln und neuen Kohlenstoffformen ist eine Speziali-tät des Instituts. Diese wird realisiert mit Hilfe vonnichtwässrigen Sol-Gelrouten sowie hydrothermalen und beihohen Temperaturen durchgeführten Karbonisierungen. Diedabei entstehenden Partikel bilden die Basis für neue Sen-soren oder funktionale Beschichtungen und können direkt beider Chromatographie, der Katalyse oder als aktive Füllstoffein hybriden Materialien eingesetzt werden.

Für die Polymersynthese in Nanopartikeln werden neueTechniken der Heterophasen-Polymerisation erforscht. Um-weltfreundliche werden hier mit neuen synthetischenMöglichkeiten verknüpft, so z.B. für die Verkapselung vonnanometergroßen Strukturen, die Hybridisierung oder dieGrenzflächen gesteuerte Synthese.

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Das Forschungsprogramm des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG)

Abb. 1: Die Forschung am MPIKG beschäftigt sich mit Strukturen undProzessen, die zwischen dem Nano- und Mikrometerbereich liegen, d.h.mit dem traditionellen Bereich der Kolloid- und Grenzflächenforschung,der viele Ebenen, angefangen von Molekülen bis hin zu biomimetischenMaterialien und biologischen Geweben abdeckt.

Für Wissenschaft und Anwendung ist neben weichen undharten Strukturen die kontrollierte Generierung von nano-skopischen Porengrößen für die Erzeugung von Bulk-Materi-alien und Filmen bedeutsam. Für die Bildung geeigneterArchitekturen und Porengrößen in kristallinen Materialienwerden daher Prozessvorlagen entwickelt. Solche Systemewerden voraussichtlich Elektroden, sensorische Beschichtun-gen, photovoltaische Zellen und elektrochrome Schichten innaher Zukunft verbessern.

Die Forschung an Grenzflächen ist einerseits dadurchmotiviert, dass zahlreiche Interaktionen und Eigen-schaften kolloidaler Systeme durch die hohe spezifische Oberfläche bestimmt werden.Andererseits ist das Verhalten von Materienahe Grenzflächen an sich wissenschaftlichbedeutsam und relevant. Zentrales Themaist die Dynamik des Austauschs von Materiezwischen Grenzfläche, Masse und begleiten-den Veränderungen. Dies ist entscheidend fürMakromoleküle, die Struktur von Wasser undHydrathüllen nahe Oberflächen, die Erkennung undEnzymkatalyse sowie die Kristallisation an Oberflächen. Syn-thetische Methoden wurden für die Manipulation von Par-tikeloberflächen entwickelt, die ihre Oberflächenaktivität undBiofunktionalität verändern. Sie wurden zudem auch alsBausteine für supramolekulare Strukturen und Mikro- undNanocontainer benutzt. Darüber hinaus konnten Methodender supramolekularen Chemie erweitert werden, um funk-tionale Filme, reaktive Kapseln und sich selbst reparierendeBeschichtungen zu erzeugen.

Hierarchische StrukturenGenerell gibt es zwei verschiedene Wege, mit denen man kol-loidale Strukturen erzeugen und die Lücke zwischen Molekülenund Materialien oder Bauteilen schließen kann: Bottom-up undTop-down Zugänge. Die Bottom-up Methode beinhaltet Poly-merisation, Selbstorganisation sowie Partikelbildung und -wachstum, die Top-down Methode hingegen Dispersion,Druck, Lithographie und Modellbildung. Beide Zugänge findenam Institut ihre Anwendung. So werden viele Methoden derPolymersynthese auf die Bildung komplexer Materialien ange-wandt. Diese können einerseits vollständig organisch sein wiez.B. Blockkopolymere, wobei einBaustein hydrophob, derandere hydrophyl ist.Andererseits

können Polymere auch benutzt wer-den, um die Morphologie wach-sender Partikel und Mineralien so zuverändern, dass organisch-anorgani-sche Hybride entstehen.

Amphiphile Blockkopolymere weisen syn-thetische Analogien zu Lipidmolekülen auf,die in der Natur für die Bildung von Bilagenmem-branen, Vesikeln und komplexeren räumlicheren Anord-nungen verwendet werden. Vesikelmembranen können eine

lineare Größe zwischen 30 Nanometern und 100 Mikrome-tern aufweisen. Als Konsequenz daraus variiert der

Bereich von intramembranen Domänen über neunGrößenordnungen zwischen kleinen Clustern vonLipidmolekülen und tausendstel Quadratmikro-metern Membransegmenten.

Die Anordnung von supramolekularen Strukturenwird von schwachen Wechselwirkungen (van der

Waals Kräfte) oder entropisch induzierten Interaktio-nen (z.B. hydrophobischer Effekt) gesteuert. Die starke

Abhängigkeit dieser Kräfte von umgebenden Parametern führthin zu reaktiven und selbstheilenden Systemen.

Membranen und andere Grenzflächen können durch extrahinzugefügte Moleküle und Partikel funktionalisiert werden.Am MPIKG wurde eine überaus effektive Methode für die Bil-dung von eher komplexen Grenzflächenstrukturen entwickelt,die auf der nacheinander folgenden Ablagerung von negativund positiv geladenen Polyelektrolyten basiert.

Darüber hinaus wird am Institut ein großes Spektrum anexperimentellen Methoden genutzt, um Struktur und Dynamikvon Kolloiden und Grenzflächen zu charakterisieren. Zudemwerden verschiedene Methoden der chemischen Analyse ver-wendet. Eine entscheidende Herausforderung bildet die simul-tane Bestimmung von Mikro- und Nanometer großen Struk-turen in hierarchischen Materialien. Spezielle, kombinierteZugänge, die auf Scanning Probe Methoden basieren und Elek-tronen, Photonen und mechanische Spitzen benutzen, wurdenebenfalls am MPIKG entwickelt. Detaillierte Informationenerhalten Sie in den einzelnen Berichten der experimentellenGruppen.

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Biomimetische SystemeBiomimetische Forschung erstreckt sich von den lebendenSystemen zu den Materialien und umgekehrt (siehe Abb. 1):aus der Analyse der Struktur- und Funktionsbeziehungen inden Zellen und der extrazellulären Matrix ergeben sich vomphysiko-chemischen Standpunkt aus notwendige Informatio-

nen für den Aufbau von biomimetischen Systemen. Künst-liche biomimetische Systeme werden entwickelt,

um z.B. technische Probleme mit Hilfe vonStrategien für neue Materialien oder tech-

nische Geräte zu beheben. Aber sie kön-nen auch als Modellsysteme das Ver-

ständnis für die natürlichen Vorbilderverbessern, da diese meist zu kom-plex sind, um mit physikalischenExperimenten oder theoretischenMethoden untersucht zu werden.Dies führt zu einem direkten Ein-

fluss auf die Biomedizin (neue Wirk-stoffträger und Behandlungsstrate-

gien) und besseren Methoden für neuebiomimetische Systeme.

Derzeit gibt es verschiedene Strate-gien, um biomimetische Systeme zu bilden.

Erstens imitiert man die Bauprinzipien der Natur,vereinfacht jedoch ihre chemische Zusammensetzung.Beispiele sind Homopolymere, die nur aus einem Typ vonMonomer aufgebaut sind oder Doppelschicht-Membranen,die aus nur einer Lipidsorte bestehen. Zweitens begrenztman sich auf bestimmte biologische Subsysteme, die nureine kleine Anzahl von Komponenten enthalten. Und drittensbildet man hybride Systeme, die eine Kombination von natür-lichen und synthetischen Bestandteilen enthalten.

Biologische Systeme bestehen aus einer Hierarchie vonKomponenten und Baugerüsten. Auf der kolloidalen Ebenetreffen verschiedene Kompartimente aufeinander, die durchgeschlossene Membranen und unterschiedliche Gerüstegebildet und durch vernetzte Filamente aufgebaut werden.Hauptfunktion der Membrankompartimente ist, den Raum ineinzelne Bereiche zu teilen und den selektiven Transportzwischen den Kompartimenten zu ermöglichen. Die primäreAufgabe der Filamentgerüste ist die Umstrukturierung derKompartimente und die Neuorganisation der räumlichenAnordnung.

Die Forschung am MPIKG beinhaltet auch das Studiumvon natürlichen Materialien (Pflanzenzellwände, Bindege-webe, Knochen) sowie derer Eigenschaften und Fähigkeit zu

heilen und sich an wechselnde Umgebungsbedingungenanzupassen. Die Arbeit an biomimetischen Systemen schließtden Aufbau und das Studium verschiedener Kompartimentemit ein: Tröpfchen in Mikro- und Miniemulsionen, Vesikel,aus lipiden oder polymeren Doppelschichten an Polyelek-trolyt-Multilagen gebundene Kapseln. In diesen Komparti-menten kann man physikalische und chemische Prozesse derStrukturbildung und Selbst-Organisation durchführen. Sowohlder Top-down als auch der Bottom-up Zugang werden bei dertheoretischen Beschreibung von biologischen und bio-mimetischen Systemen eingesetzt. Ersterer basiert auf derThermodynamik von Grenzflächen und Membranen. Letztererbeginnt bei grob strukturierten Monomer-Modellen undderen Interaktionen, die mit einer Vielzahl von theoretischenMethoden aus der statistischen Physik untersucht werden.

Ein langfristiges Ziel ist es, multifunktionale Biomateri-alien zu verstehen, die auf der Tatsache basieren, dass bio-mimetische Systeme (z.B. synthetische Polymere) mit biolo-gischen Systemen interagieren können (z.B. Bindung an einenZellrezeptor). Für die räumliche Anordnung von Zellen inGewebe werden dabei synthetische Gerüste benutzt. Nütz-lich wäre es, diese verschiedenen Ebenen in neue multifunk-tionale Biomaterialien zu integrieren, die hierarchisch aufge-baut sind und mit denen man die verschiedenen strukturellenEbenen biologischer Systeme separat oder simultan ad-ressieren kann.

Ein weiteres sich abzeichnendes Thema sind aktive bio-mimetische Systeme: Die Vielseitigkeit von biologischen Sys-temen ist eng mit der Tatsache verbunden, dass sie aktivsind, sich neu organisieren können und so die räumlicheStruktur auf der Nano- und Mikrometerskala ausbilden. DieseFähigkeit basiert auf aktiven Nanostrukturen wie z.B. Fila-ment-Monomeren und molekularen Motoren, die exergonechemische Reaktionen katalysieren. Es ist möglich, dieseProzesse mit Hilfe von biomimetischen Modellsystemennachzubilden und systematisch zu studieren.

Die Aktivitäten über biomimetische Systeme und dieAusbildung von jungen Forschern auf diesem Gebiet werdendurch die vom Institut ins Leben gerufene InternationaleMax-Planck Research School on „Biomimetic Systems“, diejetzt vom Marie-Curie Early Stage Training Netzwerk kom-plettiert wird, entscheidend gestärkt und unterstützt. Weit-ere Informationen über die Graduiertenprogramme finden Sieauf den folgenden Seiten.

Markus Antonietti, Peter Fratzl, Reinhard Lipowsky, Helmuth Möhwald

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The Research Program of the Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPIKG)

Colloid and interface science focuses on the intermediatesize range between “nano” and “micro” – some-times calledthe twilight zone or the world of hidden dimensions – andbridges the gap between molecules and biomimetic materi-als or biological tissues. As shown in Fig. 1, two aspects areparticularly important in this type of research. The first is theunderstanding of structural and dynamical hierarchies inorder to connect the nanoregime with much larger scales.The second aspect is the elucidation of basic mechanismsand general principles that apply both to biomimetic and tobiological systems and, thus, provide a unified conceptualframework for both types of systems.

The versatile functionality of biomimetic and biological sys-tems depends primarily on the structure and dynamics of col-loids and interfaces in the nanoregime. For example, the rel-atively small number of 20 amino acids and 4 nucleotidesform a multitude of biological polymers, proteins and DNA,with sizes in the nanometer range. They are further assem-bled into filaments, membranes, ribosomes and various bio-colloids which may contain mineral elements as well. Theseare the building blocks of the extracellular matrix and of thecells themselves, which form the basis of any living organ-ism. This step from biopolymers to living cells covers therange from a few nanometers to many micrometers and isobviously crucial in constructing the complex architecture oforganisms. In an analogous manner, the functionality of bio-mimetic materials and their mechanical, optical or magneticproperties depend to a large extent on the structures devel-oped in the size range between nano- and micrometers.

Colloids and InterfacesCurrent research at the MPIKG focuses on complex, multi-component systems, both natural and artificial. Thisresearch, which lies at the borderline of physics, chemistry,materials science and bioscience, includes the followingactivities: Study of structure/function relationships in hierar-chical biological materials; Synthesis and construction ofexperimental model systems; Experimental characterizationof these systems; Construction and analysis of theoreticalmodels.

This interplay between experiment and theory is neces-sary in order to gain a deeper understanding of colloidal andinterfacial systems. This understanding can then be used inorder to improve the design of these systems, to optimizetheir performance, and to increase their reliability. In thissense, research at the MPIKG has a direct impact on tomor-row’s technology. Insofar as the understanding of the biolog-ical systems themselves is improved, an impact on the bio-medical sciences can also be foreseen. Examples include theconstruction of drug-delivery systems based on colloidalstructures or the small-scale characterization of changes inbone material arising from disease or medical treatment.

One synthetic specialty of the institute is the synthesis offunctional crystalline oxidic nanoparticles and new types ofcarbon by non-aqueous solgel routes, hydrothermal and hightemperature carbonization pathways. Such particles providethe basis for new sensors or functional coatings, and can bedirectly applied in chromatography, catalysis, or as activefillers in hybrid materials.

For polymer synthesis in nanoparticles, new techniquesof heterophase polymerization are explored. Here, environ-mental friendliness is combined with new synthetic possibil-ities, for instance for nanoscale encapsulation, hybridization,or interface driven synthesis.

In addition to soft and hard structures, the controlledgeneration of nanoscopic pore channel systems into bulkmaterials and films is of great scientific and applicationinterest. Here, template procedures are developed andapplied to design the architecture and the size of pores incrystalline materials in a rational fashion. Such systems willpresumably help to make better electrodes, sensing layers,photovoltaic and electrochromic devices in the near future.

Research on interfaces is on the one hand moti-vated by the fact that many interactions and prop-erties of colloidal systems are determined bytheir high specific surface. On the other handthe behavior of matter near interfaces in itself

Fig. 1: Research in the MPIKG focuses on structures and processes inthe size range between nano and micro, the traditional domain of col-loid and interface science, covering many levels from molecules to bio-mimetic materials and biological tissues.

is scientifically most important and relevant.Central topics addressed are the dynamics ofexchange of matter between interface and bulkand concomitant changes, especially for macromole-cules, the structure of water and hydration shells near sur-faces, recognition and enzyme catalysis and crystallization atsurfaces. Synthetic methods have been developed to manip-ulate the surface of particles which changed their interfacialactivity as well as suitability for biofunctionalization and forusing them as building blocks for supramolecular structuresand micro- and nanocontainers. Methods of supramolecularchemistry have been extended to prepare functional filmsand responsive capsules as well as self-repairing coatings.

Hierarchical StructuresIn general, there are two different routes by

which one can construct colloidal structuresand bridge the gap between molecules

and materials or tissues: Bottom-upand top-down approaches. The bot-

tom-up approaches include poly-merization, self-assembly, andparticle nucleation and growth.The top-down approachesinclude dispersing, printing,lithography, and prototyping.Both routes are being pursued at

the MPIKG. For example, manymethods of polymer synthesis are

applied to create complex materials.These materials can be fully organic,

such as block copolymers, for which oneblock is hydrophobic and the other is

hydrophilic. Polymers can also be used to changethe morphology of growing particles and minerals, leading toorganic-inorganic hybrids.

Amphiphilic block co-polymers provide synthetic analoguesof lipid molecules which are used by nature to form bilayermembranes, vesicles and more complex spatial compart-ments. Vesicle membranes can have a linear size between 30nanometers and 100 micrometers. As a consequence, thearea of intramembrane domains can vary over nine orders ofmagnitude between small clusters of a few lipid moleculesand membrane segments of thousands of square micrometers. The assembly of supramolecular structures is governed by

weak interactions such as van der Waalsforces or entropically induced interactions

such as the hydrophobic effect. The depend-ence of these forces on environmental parameters

leads to responsive and self-healing systems.

Membranes and other interfaces can be functionalized bydecorating them with additional molecules and particles. Apowerful method to create rather complex interfacial struc-tures has been developed at the MPIKG, based on the subse-quent deposition of negatively and positively charged poly-electrolytes.

A large spectrum of experimental methods is used at theMPIKG in order to characterize the structure and dynamics ofcolloids and interfaces. In addition, various methods of chem-ical analysis are applied. A particular challenge representsthe simultaneous determination of structures in the micro-and nano-range in a hierarchical material. Special combina-tion approaches based on scanning probe methods utilizingelectrons, photons and mechanical tips are being developedin the MPIKG. More details on the various methods are pro-vided in the reports of the experimental groups.

Biomimetic SystemsBiomimetic research can address both directions of the arrowin Fig.1: from the biological systems to the synthetic materi-als and vice versa. First, the analysis of structure-functionrelations in cells and extracellular matrix (from a physico-chemical viewpoint) gives the necessary input for buildingbiomimetic systems. Artificial biomimetic systems can thenbe used to address engineering problems in providing strate-gies for creating new materials or technical devices. But theycan also serve as model systems to improve the understand-ing of the natural analog, which is usually much too complexto be studied in full detail by physical experiments and, evenmore, by theoretical modeling. This can have a direct impactin the biomedical field (leading to new drug carriers or treat-ment strategies, for example) but also lead to improved inputfor new biomimetic systems.

There are several different strategies by which one canconstruct biomimetic systems. First, one may imitate thebasic construction principle of the biological systems butsimplify their chemical composition. This strategy leads tohomo-polymers, which consist only of a single type ofmonomer, or to one-component bilayers, which contain only

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a single type of lipid. Secondly, one may focus on certain bio-logical subsystems which contain only a relatively smallnumber of components. Thirdly, one may construct hybrid sys-tems which contain a combination of natural and syntheticcomponents.

Biological systems contain a hierarchy of compartmentsand scaffolds. On the colloidal level of this hierarchy, oneencounters various compartments, formed by closed mem-branes, and different scaffolds, built up from cross-linked fil-aments. The main function of membrane compartments is todivide space into separate regions and to enable selectivetransport between compartments. The main function of fila-ment scaffolds is to reshuffle these compartments and toreorganize their spatial arrangement.

Research at the MPIKG involves the study of naturalmaterials, such as plant cell walls, connective tissue andbone, their properties and their capability to heal and adaptto changing environmental conditions. Work on biomimeticsystems includes the construction and study of differenttypes of compartments: droplets in micro- and miniemul-sions, vesicles bounded by lipid or polymeric bilayers, andcapsules bounded by polyelectrolyte multilayers. In all ofthese compartments, one can perform physical and chemicalprocesses of structure formation and self-organization. Boththe top-down and the bottom-up approaches are used for thetheoretical description of biological and biomimetic systems.The first is based on the thermodynamics of interfaces andmembranes, the second starts from coarse-grained modelsfor the molecular building blocks and their interactions,which are studied by a wide range of theoretical methods asprovided by statistical physics.

A long-term goal is to conceive multifunctional bio-materials, which are based on the fact that bio-mimetic systems (e.g., synthetic polymers) caninteract with the biological system itself(e.g., bind to a cell receptor). Syntheticscaffolds can also be used for thespatial arrangements of cells intotissues. It would be useful tointegrate these differentlevels into new multi-functional biomateri-als which are organ-ized in a hierar-chical way andby which one

can address, separately or simultaneously, the differentstructural levels of the biological systems.

Active Biomimetic Systems are another emerging topic:The versatility of biological systems is intimately related tothe fact that these systems are active and are able to reor-ganize and to reconstruct their spatial structure on the nano-and microscale. This ability is based on active nanostructuressuch as filament monomers and molecular motors which cancatalyze exergonic chemical reactions. It is now possible toimitate these processes in biomimetic model systems and tostudy them in a systematic manner.

In order to support and enhance its activities on bio-mimetic systems, and to improve the training of youngresearchers in this emerging field, the MPIKG has created theInternational Max-Planck Research School on BiomimeticSystems, now complemented by a Marie-Curie Early StageTraining Network, described in detail on the next pages.

Markus Antonietti, Peter Fratzl, Reinhard Lipowsky, Helmuth Möhwald

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Kooperationen mit Universitäten:Zwischen dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenz-flächenforschung (MPIKG) und der Universität Potsdam be-steht eine intensive und gute Zusammenarbeit, u. a. doku-mentiert durch eine Kooperationsvereinbarung aus dem Jahr1995. Prof. Antonietti, Prof. Lipowsky und Prof. Möhwald sindHonorarprofessoren an der Universität Potsdam. Dies spiegeltsich in einer intensiven Lehrtätigkeit sowohl in Bereichen desGrundstudiums als auch in den Wahlpflichtfächern wider.Prof. Fratzl und Prof. Lipowsky sind Honorarprofessoren ander Humboldt Universität zu Berlin. Ein Kooperationsvertragmit dieser Universität wurde bereits unterzeichnet. Darüberhinaus wurde Prof. Rabe vom Institut für Physik der Humboldt-Universität zu Berlin 2005 als Auswärtiges WissenschaftlichesMitglied an das MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschungberufen.

Die International Max Planck Research School über„Biomimetische Systeme“ ist ein Graduierten-Kolleg, daszunächst gemeinsam mit der Universität Potsdam eingerichtetwurde und an der sich seit 2006 auch die Humboldt-Univer-sität zu Berlin und die beiden Fraunhofer-Institute in Golmbeteiligen. Sprecher der Schule ist Prof. Lipowsky, der dieSchule 1999 beantragt hat.

Zur weiteren Verstärkung der Zusammenarbeit wurdenzwei Juniorprofessuren an der Universität Potsdam ein-gerichtet: durch die Abteilung Kolloidchemie Prof. AndreasTaubert und durch die Abteilung Grenzflächen Prof. MatiasBargheer.

Das Institut ist über den Sonderforschungsbereich (SFB)448 „Mesoskopische Verbundsysteme“ sowie dem SFB„Muskel-Skelett-Regeneration“, der von der Charité - Univer-sitätsmedizin Berlin koordiniert wird, mit der UniversitätPotsdam und allen drei Berliner Universitäten verknüpft.Darüber hinaus ist es auch Mitglied des vom Bundesminis-terium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Berlin-Brandenburger Zentrums für Regenerative Therapien. EinePlattform für die Untersuchung biologischer Proben mit Syn-chrotronstrahlung wird in enger Kooperation mit der Univer-sität Heidelberg aufgebaut.

Internationale und Nationale Kooperationen:Im Rahmen von europäischen Förderprogrammen, insbeson-dere dem 6. Rahmenprogramm der EU partizipieren Arbeits-gruppen des Instituts an Network of Excellence- (NoE), MarieCurie- und Specific Target Research Projects (STREP)- Maß-nahmen. Insgesamt laufen zurzeit zehn EU Projekte innerhalbdes 6. Rahmenprogramms und ein weiteres startet Oktober2007. Das Marie Curie Netzwerk über „Biomimetic Systems“und das STREP-Netzwerk über „Active Biomimetic Systems“wird von der Theorieabteilung des MPI koordiniert. WeitereInformationen zu diesen beiden Netzwerken finden Sie unterwww.biomimeticsystems.de und www.biomics.de.

Bilaterale- und Kooperationsprojekte unter der Förderung derEuropean Space Agency (ESA), des Deutschen Akademi-schen Austausch Dienstes (DAAD), der Deutschen For-schungsgemeinschaft (DFG), der German Israel Foundation(GIF) for Scientific Research and Development, den NationalInstitutes of Health (NIH) sowie der VW- und Zeit-Stiftungbestehen zur Zeit mit Australien, Bulgarien, Dänemark,Frankreich, der Gemeinschaft Unabhängiger Staaten (GUS),Italien, Israel, Schweiz, Ukraine und den USA. Darüber hin-aus wird in enger Zusammenarbeit mit dem Ludwig-Boltz-mann Institut für Osteologie in Wien (Österreich) an klinischorientierter Knochenforschung gearbeitet.

Zudem koordiniert das Institut eine Deutsch-Französi-sche Forschergruppe, an der neben den Abteilungen desMPIKG fünf deutsche sowie acht französische Gruppenbeteiligt sind. Gefördert wird das Vorhaben gemeinsam vonDFG, CEA und CNRS. Weitere Informationen finden Sie unterwww.mpikg.mpg.de/crg

Großes Engagement gilt auch der Betreuung und demAufbau von Messplätzen an den Berliner Neutronen- (Hahn-Meitner-Institut) und Synchrotronstrahlungsquellen (BESSY)sowie dem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) inHamburg. Insbesondere mit BESSY und der Bundesanstalt fürMaterialprüfung (BAM) existiert ein Kooperationsvertrag zumAufbau und zur Inbetriebnahme einer Mikrofokus Beamline.

Die Abteilung Grenzflächen unterhält zusammen mit derChinesischen Akademie der Wissenschaften eine Interna-tionale Partnergruppe in Peking und ein gemeinsames Labormit dem National Institute for Materials Science (NIMS) inTsukuba (Japan). Die Abteilung Kolloidchemie hat 2001zusammen mit dem Hefei National Laboratory for PhysicalSciences at Microscale (CAS) eine Internationale Partner-gruppe in Hefei eingerichtet.

Im Weiteren liefen in 2004 die aus dem strategischenInnovationsfonds der MPG geförderten Projekte „Plant CellWall“ und „ENERCHEM (Nanochemische Konzepte einer nach-haltigen Energieversorgung)“ sehr erfolgreich an. ENERCHEMist ein Forschungsverbund von fünf Max-Planck-Instituten zurEntwicklung nanochemischer Lösungen für eine nachhaltigeEnergieversorgung. Das gemeinsam von den Max-Planck-Insti-tuten für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Festkörper-forschung, Polymerforschung, Kohlenforschung und dem Fritz-Haber-Institut gegründete Projekt wird von Prof. Antoniettigeleitet. Die Forschungsinitiative wird von der MPG mit ins-gesamt rund 4 Mio. Euro aus dem Strategischen Innovations-fonds gefördert.

Darüber hinaus kooperiert das Institut mit den Frauhofer-Instituten für Angewandte Polymerforschung und Biomedi-zinische Technologie und der Universität Potsdam in dem Pro-jekt „Bioaktive Grenzflächen“, in dem die Bindung von Bio-molekülen und Zellen an funktionalisierte Oberflächenreversibel gesteuert werden soll. Der MPG-Anteil (aus dem

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Wissenschaftliche Beziehungen

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Strategiefonds) am Gesamtvolumen von 3.5 Mio. Eurobeträgt 0.9 Mio. Euro.

Industriekooperationen, Verwertungsverträge, AusgründungenIndustriekooperationen bestehen unter anderem mit derClariant GmbH, Degussa AG, Procter & Gamble, Servier undder Schering AG. Das Institut hält gegenwärtig 46 Patente.Im Zeitraum von 1993-2000 erfolgten insgesamt sieben Aus-gründungen: Capsulution Nanoscience AG, Colloid GmbH,Nanocraft GmbH, Optrel, Riegler & Kirstein, Sinterface undOxidion GmbH.

Zusammen mit dem benachbarten Fraunhofer-Institut fürAngewandte Polymerforschung wurde die Nachwuchsgruppe„Polymere Nanotechnologie für die Life Sciences“ ein-gerichtet, in der neue Wege von Grundlagen hin zu Anwen-dungen beschritten werden sollen.

PerspektivenIn den letzten Jahren hat sich die Forschung an biomimetis-chen Systemen zunehmend als eine gemeinsame Klammerzwischen den Abteilungen entwickelt. Unterstützt wird dieVerbreiterung des Themas durch die IMPRS „Biomimetic Sys-tems“ sowie durch die Mitwirkung in entsprechenden EU-Netzen. Das Institut sieht für seine langfristige Entwicklungdas Erfordernis, auch das Thema „Biomolekulare Systeme“im Institut möglichst auf Abteilungsebene – ggf. in Koope-ration mit einer Universität – abzudecken. Die Konzentrationsollte dabei auf der Synthese und Manipulation biologischerMoleküle und künstlicher Nachbildungen und der Integrationderselben in hierarchische Systeme liegen.

Editorial BoardsUnsere Wissenschaftler fungieren als Gutachter und Beratervon fachspezifischen Zeitschriften und Journalen. In der fol-genden Liste sind nur die Wissenschaftler angeführt, dieentweder Herausgeber oder Mitglied eines Editorial Boardssind. Des Weiteren informieren wir Sie über Mitglied-schaften in Fachbeiräten.

· Applied Rheology (M. Antonietti)· Advances in Coll. Surf. Sci. (R. Miller, Herausgeber)· Adv. Eng. Materials (P. Fratzl)· Biophysical Reviews and Letters

(P. Fratzl, R. Lipowsky, H. Möhwald)· Calcif. Tissue Int. (P. Fratzl)· Chemistry of Materials (M. Antonietti, H. Möhwald)· Chem. Phys. Mat. (H. Möhwald)· Colloids and Surfaces (J. Li, Herausgeber)· Colloid & Polymer Science (M. Antonietti)· Current Opinion Coll. Interf. Sci. (H. Möhwald)· Europhysics Letters (R. Lipowsky)

· Journal of Biological Physics (R. Lipowsky)· J. Struct. Biol. (P. Fratzl)· Langmuir (M. Antonietti, H. Möhwald)· Lecture Notes in Physics (R. Lipowsky)· Macromolecular Journals of VCh (M. Antonietti)· Nach.Chem.Lab.Tech. (M. Antonietti)· Nano-Letters (H. Möhwald)· New Journal of Chemistry (M. Antonietti)· New Rheol. J. (M. Antonietti)· PhysChemChemPhys (H. Möhwald)· Polymer (M. Antonietti)· Progress in Polymer Science (M. Antonietti)· Review in Molecular Biotechnology (M. Antonietti)· Soft Matter (H. Möhwald, Herausgeber)

Fachbeirat:· Austrian Nano Initiative (H. Möhwald, Beirat und Jury)· DECHEMA Arbeitsgruppe über

„Chemische Nanotechnologie“ (H. Möhwald)· European Colloid and Interface Society

(H. Möhwald, Präsident)· Fraunhofer-Institut für Angewandte

Polymerforschung (H. Möhwald)· Gerhardt Schmidt Minerva Zentrum für

supramolekulare Strukturen (P. Fratzl)· German Colloid Society

(H. Möhwald, Vorsitzender)· Hahn-Meitner-Institut

(H. Möhwald, Vorsitzender)· Institut für Schichten und Grenzflächen,

Forschungszentrum Jülich (H. Möhwald)· Institute of Theoretical Physics, CAS

(R. Lipowsky)· Minerva Weizmann Komitee (R. Lipowsky)· PETRA III Microfocus Beamline (P. Fratzl)· Photon Science Committee DESY (P. Fratzl, Vorsitzender)

National Cooperations:Cooperations with UniversitiesThe Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPIKG)and the University Potsdam maintain intense and well-con-nected research cooperations that are among others docu-mented by a cooperation agreement from 1995. Prof. Antoni-etti, Prof. Lipowsky and Prof. Möhwald hold Honorary Profes-sorships at the University Potsdam which reflect intensiveteaching in basic studies as well as in specialized subjects.In addition to this Prof. Fratzl and Prof. Lipowsky hold Hon-orary Professorships at the Humboldt University Berlin. A co-operation agreement with the University and the MPIKG hasalready been signed. In 2005 Prof. Rabe of the Humboldt Uni-versity Berlin (Institute of Physics) was appointed as ForeignMember of the Max Planck Institute of Colloids and Inter-faces.

The “International Max Planck Research School on Bio-mimetic Systems” (IMPRS) is a graduate program, which wasinitiated together with the University of Potsdam and nowinvolves the Humboldt University Berlin and the two Fraun-hofer Institutes in Golm as well. The speaker of the school isProf. Lipowsky who proposed the school in 1999.

For additional intensification of the collaboration twoJunior Professorships were established at the UniversityPotsdam: Prof. Matias Bargheer (Department of Interfaces)and Prof. Andreas Taubert (Department of Colloid Chemistry).

Besides this the institute is connected with the UniversityPotsdam and with all three Berlin universities through theGerman Research Foundation (DFG) priority program “Meso-scopic Composites”, as well as the new SFB program “Mus-culoskeletal Regenaration” coordinated by Charité, MedicalUniversity, Berlin. The MPI is also member of the BMBF-financed Berlin-Brandenburg Center for Regenerative Thera-pies (BCRT). Furthermore a platform for investigating biolog-ical specimens at Synchrotron BESSY is set up together withthe University Heidelberg.

International and National Cooperations:Several research groups take part in Networks of Excellence(NoE), Marie Curie and Specific Target Research Projects(STREP) within the framework of European programs, especi-ally the 6th framework program of the EU. In total there areten EU projects within the 6th framework program at theMPIKG. Another one will start in October 2007. The MarieCurie network on “Biomimetic Systems” and the STREP net-work on “Active Biomimetic Systems” are coordinated by theTheory & Bio-Systems Department of the MPI. Further infor-mation is available under www.biomimeticsystems.de andwww.biomics.de.

Beyond the collaborations described there exist bilateral andcooperation projects under assistance of the European SpaceAgency (ESA), the German Academic Exchange Service(DAAD), the German Research Foundation (DFG), GermanIsrael Foundation (GIF) for Scientific Research and Devel-opment, the National Institutes of Health (NIH), VW- andZeit-Stiftung in Australia, Bulgaria, Commonwealth of Inde-pendent States (CIS), France, Italy, Israel, Denmark, Switzer-land, Ukraine and USA. Clinically oriented bone research iscarried out in close collaboration with the Ludwig BoltzmannInstitute of Osteology in Vienna (Austria).

In addition the MPIKG has coordinated a German-FrenchCollaborative Research Group which consists apart from thedepartments of the institute of five German and eight Frenchgroups. The project is jointly funded together by the DFG,CEA and CNRS. Please find further information underwww.mpikg.mpg.de/crg.

Also the maintainance and build-up of beamli-nes at theneutron- (Hahn Meitner Institute) and synchrotron radiationresources (BESSY) in Berlin and the German electron syn-chrotron (DESY) in Hamburg takes up big engagement. Thereexist cooperation agreements especially with BESSY and theFederal Institute for Materials Research and Testing for buil-ding-up and implementing a microfocus beamline.

Moreover the Department of Interfaces has establishedtogether with the Chinese Academy of Sciences an Interna-tional Joint Laboratory in Beijing and a Joint Laboratory withthe National Institute for Materials Science in Tsukuba(Japan). In addition the Department of Colloid Chemistrytogether with the Hefei National Laboratory for PhysicalSciences at Microscale (CAS) started an International PartnerGroup in Hefei in 2001.

Also the projects “Plant Cell Wall” and “EnerChem”, fun-ded by the strategic innovation funds of the Max PlanckSociety have been successfully started in 2004. EnerChem isa research association, initiated by five Max Planck institutesand coordinated by Prof. Antonietti of the MPIKG. The aim isto combine the chemical expertise and capacities of theseinstitutes to generate solutions to the emerging problems ofenergy supply, storage and saving with the focus on nano-structured carbon materials. The research initiative is fundedwith 4. Mill. EUR.

Furthermore a cooperation project between the instituteand the Fraunhofer Institutes of Applied Polymer Researchand Biomedical Technology and the University Potsdam called“Bioactive Interfaces” has been established. The researchproject is funded with altogether 3.5 Mill EUR. The part of thestrategic innovation funds of the Max Planck Societyamounts 0.9 Mill EUR.

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Scientific Relations

Cooperations with Industry, Application Contracts, Spin-OffsAmong many industry contacts cooperations with well-defi-ned targets have been with Clariant GmbH, Degussa AG,Procter & Gamble, Servier and Schering AG. At present theMPIKG upholds 46 patents. In the period from 1993-2006seven spin-offs have been launched: Capsulution NanoscienceAG, Colloid GmbH, Nanocraft GmbH, Optrel, Riegler & Kir-stein, Sinterface and Oxidion GmbH. Moreover a JuniorResearch Group “Nanotechnology for Life Science” has beenestablished together with the neighbouring Fraunhofer Insti-tute for Applied Polymer Research. This group should breaknew ground from basic research to application.

PerspectivesIn the last few years research on biomimetic systems hasincreasingly developed as a common scientific subject mat-ter of the four departments. This is supported by the IMPRS“on Biomimetic Systems” and the participation in the corre-sponding EU-networks. For the long-term development of theinstitute it is therefore necessary and essential to cover alsothe field of “Biomolecular Systems” and this preferably witha fifth department and in cooperation with an university. Theconcentration lies on the synthesis and manipulation of bio-logical molecules and artificial simulations and on their inte-gration into hierarchical systems.

Editorial and Advisory BoardsScientists serve as reviewers and advisors for many journals.Therefore listed are only activities as editor and member ofan editorial board. Moreover you will find a list where youcan find memberships in advisory boards.

Editorial Boards· Applied Rheology (M. Antonietti)· Advances in Coll. Surf. Sci. (R. Miller, Editor)· Adv. Eng. Materials (P. Fratzl)· Biophysical Reviews and Letters

(P. Fratzl, R. Lipowsky, H. Möhwald)· Calcif. Tissue Int. (P. Fratzl)· Chemistry of Materials (M. Antonietti, H. Möhwald)· Chem. Phys. Mat. (H. Möhwald)· Colloids and Surfaces (J. Li, Editor)· Colloid & Polymer Science (M. Antonietti)· Current Opinion Coll. Interf. Sci. (J. Li)· Europhysics Letters (R. Lipowsky)· Journal of Biological Physics (R. Lipowsky)· J. Struct. Biol. (P. Fratzl)· Langmuir (M. Antonietti, H. Möhwald)

· Lecture Notes in Physics (R. Lipowsky)· Macromolecular Journals of VCh (M. Antonietti)· Nach.Chem.Lab.Tech. (M. Antonietti)· Nano-Letters (H. Möhwald)· New Journal of Chemistry (M. Antonietti)· New Rheol. J. (M. Antonietti)· PhysChemChemPhys (H. Möhwald)· Polymer (M. Antonietti)· Progress in Polymer Science (M. Antonietti)· Review in Molecular Biotechnology (M. Antonietti)· Soft Matter (H. Möhwald, Editor)

Advisory Boards:· Austrian Nano Initiative

(H. Möhwald, Advisory Board and Jury)· Bayrische Elitenetzwerke (R. Lipowsky)· DECHEMA Research Group on

“ChemicalNanotechnology” (H. Möhwald)· European Colloid and Interface Society

(H. Möhwald, President)· Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research

(H. Möhwald)· Gerhardt Schmidt Minerva Center on

Supramolecular Architectures (P. Fratzl)· German Colloid Society (H. Möhwald, President)· Hahn-Meitner Institute (H. Möhwald, (Chair)· Institute of Thin Films and Interfaces· Research Centre Jülich (H. Möhwald)· Institute of Theoretical Physics, CAS (R. Lipowsky)· Minerva Weizmann Komitee (R. Lipowsky)· PETRA III Microfocus Beamline (P. Fratzl)· Photon Science Committee DESY (P. Fratzl, Chair)

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Graduiertenprogramme über Biomimetische SystemeDas Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenfor-schung (MPIKG) beteiligt sich an zwei Graduiertenprogram-men über „Biomimetische Systeme“. Zum einen koordiniertdas Institut gemeinsam mit der Universität Potsdam seit2000 die „Internationale Max Planck Research School(IMPRS) on Biomimetic Systems“, die eine weitere Förde-rungszusicherung bis zum Jahr 2012 erhalten hat. Zum ande-ren leitet das MPIKG seit 2004 das European Early Stage Trai-ning (EST), das aus einem Netzwerk von sechs europäischenGruppen in Kopenhagen, Düsseldorf, Edinburgh, Leoben,Mailand und Toulouse besteht.

Zusammen mit seinen Partnern bietet das Institut aus-ländischen und deutschen Studenten der Physik, Chemie,Biologie und Materialwissenschaften ein interdisziplinäresLehr- und Forschungsprogramm über „Biomimetische Syste-me“ an. Hauptziel des Graduiertenprogramms ist es, Grund-legende Kenntnisse über biologische und biomimetischeSysteme zu vermitteln und damit eine fachübergreifende Aus-bildung anzubieten. Die auf Englisch gehaltenen Kurse, Semi-nare und Workshops werden von international renommiertenDozenten des jeweiligen Forschungsgebietes gehalten.

1. Was sind biomimetische Systeme?Biomimetische Systeme sind Modellsysteme, mit denen manbestimmte biologische Zusammenhänge nachahmen kann.

Diese sind sehr komplex und weisen innerhalb unter-schiedlicher Längenskalen viele Ebenen der Selbst-

organisation auf. Das Graduiertenprogrammam MPIKG erforscht biomimetische Syste-

me im Bereich supramolekularer und kol-loidaler Größenordnungen. Diese wer-

den hauptsächlich durch die innereArchitektur von Zellen inspiriert, ent-halten viele, aus Ionen und kleinenMolekülen aufgebaute Nano-Struk-turen und weisen lineare Dimensio-nen zwischen einigen Nano- undvielen Mikrometern auf.

Die aktuelle Forschung über bio-mimetische Systeme am MPIKG bein-

haltet folgende Themenbereiche: Was-serstruktur; Polyelektrolyte und andere

wasserlösliche Polymere; flexible Membra-nen mit mehreren Lipidkomponenten; Diblock-

Copolymerschichten und Polyelektrolyt-Multischichten;Membranfusion, aktiver Transport von molekularen Motoren;Biomineralisation und Knochen, Netzwerkdynamik und Evo-lution.

Während der letzten Jahre stieß die Forschung über bio-mimetische Systeme auf ein überaus großes, weltweitesInteresse. 1999, als die Internationale Max Planck ResearchSchool (IMPRS) über „Biomimetic Systems“ ins Leben geru-fen wurde, war der Begriff der Biomimetik nur einer kleinen

Expertengruppe bekannt. Suchmaschinen wie Google hättenzu diesem Zeitpunkt keine nennenswerten Ergebnisse auf-weisen können. Dagegen hat das Wort „biomimetisch“ zuBeginn des Jahres 2007 eine Popularität erlangt, die bis indie Werbung und den Film reicht. Aufgrund dieser rasantenEntwicklung zeigt Google bei Sucheingabe heute mehr alseine Million Ergebnisse für „biomimetisch“ und 800.000 für„biomimetische Systeme“ an. Dabei steht unser EU NetzwerkEST beim Suchbegriff „Biomimetische Systeme“ an zweiterund die IMPRS an vierter Stelle.

2. Lehrprogramme über Biomimetische SystemeDas Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenfor-schung hat die große Bedeutung biomimetischer Systemeschon seit langem erkannt. Die Auseinandersetzung mit die-ser Thematik erfolgte lange bevor diese als Trendbegriff indie Medien und die wissenschaftliche Gemeinschaft einge-gangen ist. Die typische, traditionell ausgerichtete Ausbil-dung, die die meisten Studenten erhalten, reicht allerdingsfür ein befriedigendes Grundwissen in der Biomimetik nichtaus. Es gibt daher einen starken Bedarf an multidisziplinärgeschulten Studenten, um diesen wachsenden Bereich aus-reichend entwickeln und ausbauen zu können.

Der Antrag für die Internationale Max Planck ResearchSchool (IMPRS) on „Biomimetic Systems“ wurde 1999 von einem von uns (R.L.) eingereicht und von der Leitung derMax-Planck-Gesellschaft bewilligt. Die Schule eröffnetedaraufhin das erste Semester im Jahr 2000 und hat eineweitere Förderung bis 2012 erhalten. Darüber hinaus habensich die andauernden Bemühungen, die Ausbildungsaktiv-itäten zu erweitern und zu verstärken 2003 in der Beantra-gung und 2004 mit der Koordination des Early Stage TrainingNetwork (EST) fortgesetzt. Das EST Netzwerk besteht aussieben europäischen Partnern und wird von der EuropäischenGemeinschaft finanziert.

2.1 Die IMPRS über „Biomimetische Systeme“Der Antrag für die Internationale Max Planck ResearchSchool (IMPRS) über „Biomimetische Systeme” wurdezunächst für einen Zeitraum von sechs Jahren (2000-2006)bewilligt. Nach erfolgreicher Evaluierung im Jahr 2004 wurdedas Vorhaben, die Schule fortzuführen, durch die Leitung derMax-Planck-Gesellschaft bestätigt. Es wurde eine weitereFörderung von sechs Jahren bis zum Ende des Jahres 2012festgesetzt.

Partner der Schule Von 2000 bis 2003 bestand die IMPRS aus sieben Partner-gruppen: den drei Abteilungen des MPI für Kolloid- undGrenzflächenforschung und vier Gruppen der UniversitätPotsdam. Die neu etablierte vierte Abteilung für „Biomateri-alien“ des MPIKG nahm 2003 ihre Arbeit auf und beteiligtsich seitdem ebenfalls an der Schule. Die Struktur der IMPRSbestand in dieser Weise bis zur Mitte des Jahres 2006.

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Internationale Max Planck Research School (IMPRS)über Biommetische Systeme

Mit dem zweiten Bewilligungszeitraum (ab Mitte 2006)kamen weitere Gruppen hinzu: zwei Gruppen der UniversitätPotsdam, drei Gruppen der Humboldt-Universität zu Berlin,zwei Gruppen des Fraunhofer-Instituts für BiomedizinischeTechnik (IBMT) und eine Gruppe des Fraunhofer-Instituts fürAngewandte Polymerforschung (IAP). Das Fraunhofer-Institutfür Biomedizinische Technik ist im Sommer 2006 in den Wis-senschaftspark Golm gezogen. Die Gruppen der Humboldt-Universität zu Berlin befinden sich in Berlin-Adlershof.

Weiterführende Informationen über die IMPRS on „Bio-mimetic Systems” und über die damit verbundenen Lehrver-anstaltungen erhalten Sie unter www.imprs.org

Abb.: Europakarte mit Partnern des EST Netzwerks (gelbe Kreise)

2.2 European Early Stage Training NetworkDer Antrag für das Early Stage Training (EST) über „Biomime-tische Systeme” wurde 2003 von uns (R.L. und A.V.) einge-reicht und von der Europäischen Kommission für einen Zei-traum von vier Jahren (2004-2008) bestätigt. Die Förderungwar stark umkämpft. So wurden im Bereich Physik nur fünfvon mehr als 100 Anträgen akzeptiert. Die ersten EST-Stu-denten nahmen im September 2004 ihre Arbeit auf.

Partner des NetzwerksDas EST-Netzwerk besteht im Wesentlichen aus den Gruppender IMPRS (drei Abteilungen des MPIKG, zwei Gruppen derUniversität Potsdam) sowie aus zusätzlichen Arbeitsgruppendes Niels-Bohr-Institutes in Kopenhagen, der UniversitätDüsseldorf, der Universität Edinburgh, der Technischen Uni-versität in Leoben, dem Politecnico Mailand sowie der Uni-versität Paul Sabatier in Toulouse (siehe Abbildung).

Weiterführende Informa-tionen über das Marie-Curie Early Stage TrainingNetzwerk „BiomimetischeSysteme” erhalten Sie unterhttp://www.biomimeticsy-stems.org.

2.3 Bio-Systeme EST Konferenz, Berlin 2006Im Rahmen des Marie Curie EST über Biomi-metische Systeme hat das MPI für Kolloid- und Grenzflä-chenforschung im Juni 2006 eine große Konferenz über Bio-Systeme organisiert. Innerhalb dieser Veranstaltung kamen36 Sprecher des EST-Netzwerks und andere namhafte Per-sönlichkeiten auf dem Gebiet der biologischen und biomime-tischen Systeme aus ganz Europa und den USA zusammen.Weiterführende Informationen erhalten Sie unter: http://www.bio-systems.org/berlin2006

2.4 Bio-Systeme Sommerschule, Peking 2006Das Institut ist sehr daran interessiert, die bereits bestehen-den Verbindungen zu nationalen und internationalen Partnernaufrechtzuerhalten und zu stärken sowie neue Kooperationenaufzubauen. Besonderes Interesse gilt dabei Regionen, indenen Wissenschaft und Forschung besonders gefördertwerden. Aus diesem Grund hat das MPIKG großes Interessean Veranstaltungen in China.

Im September/Oktober 2006 wurde daher eine zweiwö-chige Sommerschule über Bio-Systeme zusammen mit unse-ren Partnern der Chinesischen Akademie der Wissenschaften(CAS) organisiert. Mit Vortragenden aus Europa, den USAund China bot diese Veranstaltung den rund 60 Masterstu-denten und Doktoranden einen grundlegenden, multidiszipli-nären Überblick über biologische und biomimetische Syste-me. Weiterführende Informationen erhalten Sie unter:www.bio-systems.org/beijing2006

3. AusblickIn den nächsten zwei Jahren werden einige der genanntenProjekte abgeschlossen sein und wiederum neue Projekte,Konferenzen und Sommerschulen realisiert werden. Das Gra-duiertenprogramm ist Teil einer größeren Reihe von Aktivitä-ten, die sich mit dem aktuellen und vielfältigen Forschungs-thema „Bio-Systeme“ befassen.

Gesammelte Informationen dazu finden Sie unterwww.bio-systems.org.

Reinhard Lipowsky und Angelo Valleriani

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Graduate Programs on Biomimetic SystemsThe MPI of Colloids and Interfaces is involved in two gradu-ate programs on “Biomimetic Systems”. First, in the year2000 it has established, together with the University of Pots-dam, an International Max Planck Research School (IMPRS)on this topic. Second, since the year 2004 the MPI also coor-dinates a European Early Stage Training (EST) network whichincludes six partner groups in Copenhagen, Düsseldorf, Edin-burgh, Leoben, Milano, and Toulouse.

Together with its partner groups the MPI of Colloids andInterfaces offers an interdisciplinary curriculum on “Bio-mimetic Systems” for foreign and German students fromphysics, chemistry, biology, and materials science. One majorgoal of this curriculum is to provide a common basis ofknowledge in biological and biomimetic systems, which tran-scend the traditional boundaries between the different disci-plines. The curriculum is based on courses, seminars andworkshops that are offered by scientists active in this field.

1. What are Biomimetic Systems?Biomimetic systems are model systems by which one canmimic certain aspects of biological systems. The latter sys-tems are complex and exhibit many levels of self-organiza-tion over a wide range of length scales. The graduate pro-grams at the MPI of Colloids and Interfaces are focused onbiomimetics at the supramolecular or colloidal levels forwhich the interior architecture of cells provides the mainsource of inspiration. These levels contain many differentnanostructures that are built up from ions and small mole-cules and which attain linear dimensions between a fewnanometers and many micrometers.

Current research on biomimetic systems at the MPI ofColloids and Interfaces includes the following topics: Waterstructure; polyelectrolytes and other water soluble poly-

mers; flexible microcompartments based on lipid bilayers,diblock copolymer bilayers, and polyelectrolyte multi-layers; membrane fusion; active transport by molecu-lar motors; biomineralization and bone; networksdynamics and evolution.

At present, biomimetic systems are a hotresearch topic around the world. In the year 1999,

when our International Max Planck Research School(IMPRS) has been proposed, the term “biomimetic” was

known only to a small group of experts, and search enginessuch as Google would not return any significant number ofresults. Now, at the end of 2006, “biomimetic” has become apopular term that is mentioned even in movies and adver-tisements, and Google returns more than 1 million results forit and it returns about 800000 results for “biomimetic sys-tems”! In fact, our EU-Network EST is currently returned asthe second result for “biomimetic systems” and our IMPRS asthe fourth one.

2. Training Programs on Biomimetic SystemsThe Max Planck Institute of Colloids and Interfaces recog-nized the relevance of Biomimetic Systems long before theword had so much resonance in the media and in the scien-tific community as it has now. We also realized that the typ-ical traditional training of most students would not provide asufficient knowledge base in biomimetics. Thus, there is astrong demand of multidisciplinary training in order to furtherdevelop this research area which has many possible applica-tions in bioengineering, pharmacology and medicine.

Thus, already in the year 1999 one of us (R.L.) submitteda proposal for the International Max Planck Research Schoolon Biomimetic Systems (IMPRS) to the President of the MaxPlanck Society. This proposal was approved and the schoolstarted with its first semester in the year 2000 and will rununtil 2012. On the other hand, in the continuous effort toenlarge and strengthening our training activity in 2003 wehave established a seven-partner Early Stage Training Net-work (EST) financed by the European Commission in 2004.

2.1 The IMPRS on Biomimetic SystemsThe school was originally approved for the duration of sixyears until mid 2006. After a successful evaluation in 2004,our proposal for continuation was approved by the Presidentof the Max Planck Society and now the school will run foranother six years until the end of 2012.

Partners of the School From 2000 until 2003, the IMPRS consisted of seven partnergroups including the three departments at the MPI of Colloidsand Interfaces and four groups from the University of Pots-dam. In 2003, the fourth department on Biomaterials wasestablished at the MPI and started to participate in theschool. This structure of the school persisted until mid 2006.

Starting with the second period, from mid 2006, severalgroups joined the school: Two additional groups from the Uni-versity of Potsdam; three groups from Humboldt UniversityBerlin; two groups from the Fraunhofer Institute for Biomed-ical Engineering (IBMT) and one group from the FraunhoferInstitute for Applied Polymer Research (IAP).

The Fraunhofer Institute for Biomedical Engineeringmoved to the Science Park in Potsdam-Golm during the sum-mer 2006. The groups from Humboldt University are locatedin Adlershof, Berlin.

More detailed information about the International MaxPlanck Research School on “Biomimetic Systems” can befound on its website at http://www.imprs.org.

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International Max Planck Research School (IMPRS)on Biomimetic Systems

Fig.: A map of Europe with the partners of the EST network indicated by yellow dots.

2.2 European Early Stage Training NetworkThe proposal for the Early Stage Training (EST) network on“Biomimetic Systems” was submitted by us (R.L. and A.V.) in2003 and was approved by the European Commission for afour-year period from 2004 until 2008. The competition forthese funds was rather strong: in the physical sciences, onlyfive proposals out of more than 100 have been accepted. Thefirst EST students started to work in September 2004

Partners of the Network The EST network consists of most groups from IMPRS (threedepartments of the MPI, two groups from the University ofPotsdam) as well as additional research groups from theNiels-Bohr-Institute in Copenhagen, the University of Düssel-dorf, the University of Edinburgh, the Technical University inLeoben, the Politecnico of Milano, and The University PaulSabatier of Toulouse, see Figure.

More detailed information on the Marie-CurieEarly Stage Training Network on “BiomimeticSystems” can be found on its website athttp://www.biomimeticsystems.org.

2.3 Bio-Systems EST Conference, Berlin 2006Within the framework of our Marie Curie EST on BiomimeticSystems, the MPI has organized a big conference on Bio-Sys-tems in June 2006. This conference has brought together 36speakers from the EST network, the rest of Europe and theUS, who covered many timely and exciting aspects of biolog-ical and biomimetic systems. For more information, see:http://www.bio-systems.org/berlin2006

2.4 Bio-Systems Summer School, Beijing 2006The MPI has already many ongoing cooperations with nation-al and international partners but is always open for new linksto new partners. We are particularly interested in those regionswhere science development is moving at a great pace. That iswhy we pay great attention to the events in China.

In September/October 2006 we have organized a two-week Summer School on Bio-Systems together with our part-ners at the CAS. With speakers from Europe, USA and China,the school offered a multidisciplinary overview of biologicaland biomimetic systems to about 60 masters and PhD Stu-dents. For more information, see:http://www.bio-systems.org/beijing2006

3. OutlookIn the next period of two years, some of the projects will fin-ish and some new projects, conferences and summer schoolswill be realized. Our graduate program is part of a larger setof activities about bio-systems which is used as an abbrevia-tion of both, biomimetic and biological systems. For moreinformation, see:www.bio-systems.org.

Reinhard Lipowsky and Angelo Valleriani

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Das Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenfor-schung informiert innerhalb seiner Presse- und Öffentlich-keitsarbeit über die wissenschaftlichen Innovationen amInstitut und deren Ergebnisse in Lehre, Forschung undAnwendung. Auf diese Weise möchten wir eineigenständiges, positives Image und Vertrauenschaffen. Gleichzeitig soll dazu beigetragenwerden eine Brücke von der Lehr- und For-schungsstätte in die Öffentlichkeit zuschlagen, aktuelle Impulse aufzunehmen,neue Ideen zu finden und umzusetzen. EinHauptziel ist es, unsere aktuelle Forschungin das Bewusstsein der allgemeinenÖffentlichkeit, der Politik, der Presse, unse-rer Kooperationspartner, zukünftiger Studen-ten, ehemaliger Institutsangehöriger sowie derinternen Gemeinschaft zu bringen. Aufmerksamkeit undInteresse für die Wissenschaft und damit letztendlich Akzep-tanz, Sympathie und Vertrauen zu gewinnen, sind unserewichtigsten Anliegen.

Fach- und Publikumsjournalisten werden über das aktuelleGeschehen mit Hilfe von fundierten Nachrichten und Hinter-grundwissen informiert. Regelmäßig veröffentlichen wirunseren Zweijahresbericht, Presse-Informationen, beantwor-ten Presseanfragen und halten zu den Medienvertretern per-

sönlichen Kontakt. Neben der klassischen Pressearbeitstellt die Konzeption, Organisation und Durchfüh-

rung von Veranstaltungen den zweiten Tätig-keitsschwerpunkt des Referats dar. Der

alle zwei Jahre stattfindende Tag derOffenen Türen im Wissenschaftspark

Golm ist dabei einer unserer Höhe-punkte. Gemeinsam mit den Max-Planck-Instituten für Gravitations-physik und Molekulare Pflanzen-physiologie, den Fraunhofer-Insti-

tuten für Angewandte Polymerforschung (IAP) und Biomedizi-nische Technik (IBMT), dem Golm Innovationszentrum GO:INsowie der Universität Potsdam bieten wir interessierten

Besuchern aller Altersklassen einen faszinierenden Einblickin die Forschung. Das bunte Programm mit Führun-

gen, Experimenten, Vorträgen und Mitmach-Aktionen bietet Jung und Alt Wissenschaft

zum Anfassen und bietet zahlreiche Mög-lichkeiten High-Tech-Technologien haut-nah zu erleben und zu begreifen. Der Tagder Offenen Türen wird im Jahr 2007 am1. September stattfinden.

Zudem werden am Max-Planck-Institut fürKolloid- und Grenzflächenforschung Führungen

für Interessierte insbesondere für Schulklassensowie Vorträge an den Schulen selbst organisiert. Der

Internetauftritt des Instituts, aber auch die interne Kommuni-kation stellen darüber hinaus weitere wichtige Bereiche derÖffentlichkeitsarbeit dar.

Wir sehen es als Aufgabe an, die Bedeutung der Grundla-genforschung und der zukünftigen Entwicklungen in der Kol-loid- und Grenzflächenforschung an die breite Öffentlichkeitzu transportieren. Entdecken Sie auf den folgenden Seiten,dass Wissenschaft faszinierend, kreativ und fesselnd ist!Sollten Sie bei auftretenden Fragen unsere Hilfe benötigen,unterstützen wir Sie jederzeit gern.

Katja SchulzePresse- und Öffentlichkeitsarbeit katja.schulze@mpikg.mpg.de

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Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

Fotos: „Tag der offenen Türen“ K. Kreßler, (MPIKG)

Press and Public Relations at the Max Planck Institute of Col-loids and Interfaces serve as the interface between the sci-entists' work and the public. We inform you about theresearch results, and want to create an independent, positiveimage and thus trust in scientific work. Simultaneously wetry to bridge the gap between research institution and gener-al public and hence get new impetus and ideas. We promotethe perception of our research among the community, thepress, government, corporate partners, prospective students,alumni and our own internal community. It is a matter ofgreat importance that not only the scientific community butin fact anyone interested in modern science should have theopportunity to get an idea about the aims of our institute.Attention, interest and finally trust in science must be one ofour most important concerns.

Therefore we inform journalists with profound news andbackground knowledge about current research. To pursue thistask press releases are edited, bro-chures – such as the Bian-nual Report – are published and distributed on request andinformal support is provided whenever necessary. Besideclassical Press and Public Relations the complete conception,organisation and realisation of events is a second coretheme. One of our highlights every year is the Open Day onthe Research Campus Golm, which is an interesting and fun-packed day, combining demonstrations of high-tech learningfacilities with hands on activities for all age groups. TheOpen Day 2007 will be held together with the MaxPlanck Institutes of Gravitational Physics and Mole-cular Plant Physiology, the Fraunhofer Institutesfor Applied Polymer Research (IAP) and Bio-medical Engineering (IBMT), the GolmInnovation Center GO:IN and the Univer-

sity Potsdam on September 1.There will be lab tours, populartalks and scientific demonstra-tions providing an excellent oppor-tunity for everybody to experiencescientific activity at first hand.

Furthermore tours through the institute aswell as talks at schools are organized. But alsothe internet presence and the internal communicationare additional important fields within Press and Public Rela-tions.

We try to create awareness for the role of basic research ingeneral, especially with regard to future developments in col-loid and interface science. We also seek to show that theworld of science and technology is fascinating, challenging,varied and rewarding. Within these pages you can find thelatest news from the institute as well as a more in depth lookat our research. If you have any further questions, pleasecontact us. We are pleased to help you.

Katja SchulzePress and Public Relationskatja.schulze@mpikg.mpg.de

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Press and Public Relations