Max Planck Institute of Colloids and Interfaces

REPORT 2009-2010

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Imprint

Publisher: Max Planck Institute of Colloids and InterfacesAddress: Science Park Potsdam-Golm, Am Mühlenberg 1, 14476 PotsdamPhone: +49 (0) 331/567-7814Fax: +49 (0) 331/567-7875Email: info@mpikg.mpg.deInternet: www.mpikg.mpg.deEditorial: Katja SchulzeDesign and Illustration: Stefan Pigur, www.pigurdesign.dePrinted by: Druckhaus Berlin-Mitte GmbHPotsdam, April 2011

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INHALTSVERZEICHNISTABLE OF CONTENTS

Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8Prof. M. Antonietti

Das Institut in Zahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10The Institute in Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12Prof. H. Möhwald

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

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

BIOMOLECULAR SYSTEMS

Research in the Department of Biomolecular Systems · Prof. P. H. Seeberger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

GlycoimmunologyTargeting C-type Lectins to Modulate Immune Responses · Dr. B. Lepenies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

Carbohydrate SynthesisAutomated Solid Phase Synthesis of Complex Carbohydrates · Dr. S. Eller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

GlycoproteomicsQuantitative Glycomics and Glycoproteomics for Biomarker Discovery · Dr. D. Kolarich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Precision Polymers and Polymeric Biomimetics Solid Phase Polymer Synthesis · Dr. L. Hartmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

Biomolecular SystemsSynthetic Carbohydrate Vaccines · Dr. C. Martin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42Continuous Flow Reactors as Tools for Organic Chemists · Dr. A. O’Brien, Dr. F. Levesque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

(GPIs) and GlycoproteinsGlycosylphosphatidylinositols · Dr. D. V. Silva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

BIOMATERIALS

Research in the Department of Biomaterials · Prof. P. Fratzl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

Biological MaterialsBone Regeneration · Dr. I. Manjubala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52Mechanobiology · Dr. R. Weinkamer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Biochemical Strategies in Load-Bearing Natural Materials · Dr. M. Harrington . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56Calcified Cartilage in Shark Skeletons · Dr. M. Dean . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Spider Cuticle – A Study of the Structure-Function Relation · Dr. Y. Politi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59

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Biological and Bio-inspired MaterialsHierarchical Structure of Biological & Biomimetic Materials · Dr. W. Wagermaier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60Plant Biomechanics and Biomimetics · Dr. habil. I. Burgert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62Biomimetic Actuation and Tissue Growth · Dr. J. Dunlop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Magnetite and Hierarchical Systems · Dr. D. Faivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66Bio-inspired Hybrid Materials and Synchrotron Research · Dr. B. Aichmayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68Advanced Raman Spectroscopic Imaging of Biological Tissues · Dr. A. Mašic� . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70Nanometer and Micrometer Studies of Human Teeth and Relations to Dental Restorations · Dr. P. Zaslansky . . . . . . .71

COLLOID CHEMISTRY

Research in the Department of Colloid Chemistry · Prof. M. Antonietti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Heterophase PolymerizationPolymer Dispersions / Heterophase Polymerizations · Dr. K. Tauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

Porous PolymersFrom Polymer Synthesis to Porosity Analysis · Dr. J. Weber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80

Chimera Polymers and Novel Polymerization TechniquesBioinspired Polymers and Colloids · Dr. H. Schlaad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82

Modern Techniques of Colloid Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Electron Microscopic Studies of Colloidal Systems and Biomaterials · Dr. J. Hartmann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .84

Hydrothermal Carbon Nanostructures and CoatingsSustainable Functional Nanostructured Materials · Dr. M. M. Titirici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86

De Novo Nanoparticles De Novo Nanoparticles: Novel Synthetic Routes for Nanoparticles Production · Dr. C. Giordano . . . . . . . . . . . . . . . . .88

International Joint LaboratoryArtificial Photosynthesis · Dr. Xinchen Wang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90

INTERFACES

Research in the Department of Interfaces · Prof. H. Möhwald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94

(Quasi) Planar Interfaces – Fluid InterfacesLangmuir Monolayers as Model Systems to Study Interactions at Interfaces · Prof. G. Brezesinski . . . . . . . . . . . . . . .98Replacement of Proteins by Surfactants from Adsorbed Interfacial Layers · Dr. R. Miller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

Solid InterfacesPhase Transitions and Transport Phenomena in Thin Films at Solid/Air Interfaces · Dr. H. Riegler . . . . . . . . . . . . . . . . .102

Non-Planar InterfacesJoint French-German Laboratory (LEA) on Sonochemistry · Prof. H. Möhwald . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104Active Interfaces and Coatings · Dr. D. Shchukin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106Ordering of Functional Nanoparticles · Dr. D. Wang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108Nanotechnology and optical manipulations of capsules and films · Dr. A. Skirtach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110

International Joint Laboratory Molecular Assemblies of Biomimetic Systems and Nanostructured Design · Prof. J. Li . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112

MPI-NIMS International Joint Laboratory Supramolecular Architectures · Dr. T. Nakanishi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

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THEORY & BIO-SYSTEMS

Research in the Department of Theory & Bio-Systems · Prof. R. Lipowsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118

Polymers and ProteinsThe Power of Polypeptides from a Molecular Perspective · Dr. V. Knecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120Discrete Energy Landscapes of Proteins · Dr. T. Weikl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122Nanoparticles and Polymer brushes · Dr. C. Seidel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124

CarbohydratesConformational Dynamics of Complex Oligosaccharides · Dr. M. Santer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126

Membranes and VesiclesMembranes, Ions, and Water at Molecular Level · Dr. V. Knecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128Binding Cooperativity of Membrane Adhesion Receptors · Dr. T. Weikl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130Vesicles in contact with two aqueous phases · Prof. R. Lipowsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .132

Complex SystemsStochastic Processes in Bio-Systems · Dr. A. Valleriani . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134Regulation of Bio-Processes · Dr. S.Klumpp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .136

APPENDIX

OrganigrammOrganization Chart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140

FachbeiratScientific Advisory Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142

DrittmittelprojekteThird Party Funds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143

Ausgewählte VeranstaltungenSelected Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154

Wissenschaftliche AbschlüsseScientific Degrees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155

PersonalienAppointments and Honors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158

Wissenschaftliche Veröffentlichungen und PatentePublications and Patents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159

von links: Peter Fratzl, Markus Antonietti, Peter Seeberger,Helmuth Möhwald,Reinhard Lipowsky

Dieser Bericht beschreibtdie Aktivitäten des Max-Planck-Instituts für Kolloid- undGrenzflächenforschung (MPIKG), das1992 auf den Wurzeln zweier Akademiein-stitute in den neuen Bundesländern gegründet wurde undseit 1999 im Wissenschaftspark Potsdam-Golm angesiedeltist. Das MPIKG besteht zurzeit aus fünf Abteilungen, wobeidie Abteilung „Biomolekulare Systeme“ (Peter Seeberger) biszur Fertigstellung unseres Erweiterungsgebäudes an derFreien Universität Berlin untergebracht ist. Dieses Vorwort gibt zunächst eine kurze Einführung in

das Forschungsgebiet des MPIKG und einen Überblick überdie aktuellen Schwerpunkte der einzelnen Abteilungen.Dabei soll auch deutlich werden, dass die Forschungsakti-vitäten aller fünf Abteilungen eng miteinander verknüpftsind.Die Kolloid- und Grenzflächenforschung beschäftigt sich

mit sehr kleinen bzw. sehr dünnen Strukturen im Nano- undMikrometerbereich. Einerseits handelt es sich bei diesenStrukturen um eine ganze „Welt der versteckten Dimensio-nen“, andererseits bestimmt die komplexe Architektur undDynamik dieser Strukturen das Verhalten von sehr viel grö-ßeren Systemen, wie z. B. Organismen. Ein tieferes Verständnis von Kolloiden und Grenzflächen

ist deshalb Schlüssel für zahlreiche Neuerungen, wie z. B. diedie Entwicklung von „intelligenten“ Wirkstoffträgern undBiomaterialien. Dazu ist ein interdisziplinärer Zugang not-wendig, der chemische Synthese und biomimetische Materi-alentwicklung mit physikalischer Charakterisierung und theo-retischer Modellierung verknüpft.Die Nano- und Mikrostrukturen, die am MPIKG erforscht

werden, sind aus speziellen Molekülen aufgebaut, die nachdem Prinzip der Selbstorganisation „von selbst“ geordneteStrukturen aufbauen. Die Abteilungen „Biomolekulare Syste-me“ (Peter Seeberger) und „Kolloidchemie“ (Markus Anto-nietti) beschäftigen sich schwerpunktmäßig mit der Chemiedieses Systemaufbaus. In der Abteilung „Biomolekulare Systeme“, die im Jahr

2008 neu eingerichtet wurde, werden z. B. „maßgeschnei-derte“ Zuckermoleküle synthetisiert und mit anderen moleku-

laren Gruppen verknüpft.Diese komplexen Kohlehydrate

können andere Kohlehydrate sowieProteine und Antikörper an ihrem mole-

kularen Aufbau erkennen und diskriminieren.Ein langfristiges Ziel ist dabei die Entwicklung von neuarti-gen Impfstoffen auf Zuckerbasis.Die Abteilung „Kolloidchemie“ setzt wiederum verschie-

denartige Makromoleküle ein, um daraus mesoskopischeVerbundsysteme und Hybridmaterialien mit unterschiedlicherArchitektur aufzubauen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dergezielten Kodierung von Strukturbildung und Selbstorganisa-tion, d. h. die Moleküle enthalten bestimmte Muster, die dieStrukturbildung steuern und die Zielstruktur weitgehend fest-legen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Abteilung ist dieUmwandlung von Biomasse in Kohle mittels der hydrother-malen Karbonisierung, ein Prozess, der einen wichtigen Bei-trag zur Fixierung von CO2 liefern könnte.Weitere Nanostrukturen, die sich „von selbst“ organisie-

ren, sind molekulare Monoschichten sowie Multischichtenaus positiv und negativ geladenen Polymeren, zwei Schwer-punkte der Abteilung „Grenzflächen“ (Helmuth Möhwald).Die Nanostrukturen werden dabei an mesoskopischen undmakroskopischen Grenzflächen befestigt und können dannmit physikalischen Untersuchungsmethoden sehr präzise ver-messen werden. Die Multischichten von geladenen Polyme-ren lassen sich für die Verkapselung von ganz unterschied-lichen Wirkstoffen einsetzen, von biologischen Wirkstoffenhin bis zum Korrosionsschutz.Viele Nano- und Mikrostrukturen sind hierarchisch auf-

gebaut. Besonders eindrucksvolle Beispiele für diesen „ver-schachtelten“ Systemaufbau finden sich in minerali-sierten Geweben, wie Knochen, Zähnen oderMuschelschalen, sowie in Pflanzen undderen Zellwänden. Diese Systeme wer-den in der Abteilung „Biomateria-lien“ (Peter Fratzl) mit physikali-schen Methoden erforscht.Dabei wird z. B. dieMethode der fokus-sierten Synchro-

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Vorwort

tronstrahlung eingesetzt, die es erlaubt, die Struktur vonMikrodomänen des Materials sichtbar zu machen. Im Zen-trum des Interesses stehen die Struktur-Funktions-Beziehun-gen dieser natürlichen Materialien, insbesondere ihre außer-gewöhnlichen mechanischen Eigenschaften, die sich ständigwechselnden äußeren Bedingungen anpassen.Die Aktivitäten der vier experimentellen Abteilungen

werden durch theoretische Untersuchungen in der Abteilung„Theorie & Bio-Systeme“ (Reinhard Lipowsky) ergänzt.Aktuelle Schwerpunkte der Theorie sind molekulare Maschi-nen und mehrkomponentige Membranen. Zur Abteilunggehört auch ein Labor für die experimentelle Untersuchungvon Lipid-Membranen und -Vesikeln. Diese theoretischenund experimentellen Aktivitäten verfolgen das langfristigeZiel, die grundlegenden Mechanismen und generellen Prinzi-pien aufzuklären, die die Selbstorganisation von Bio-Syste-men im Nanobereich bestimmen. Alle Forschungsgebiete sind hier natürlich nur plakativ

dargestellt und werden im Hauptteil dieses Berichts detail-lierter beschrieben. Dieser Hauptteil ist nach den fünf Abtei-lungen des Instituts gegliedert und setzt sich aus den For-schungsberichten der einzelnen Arbeitsgruppen zusammen. Neben der intensiven Forschungstätigkeit hat das MPIKG

auch seine erfolgreiche Nachwuchsförderung wei-ter fortgesetzt. Inzwischen sindmehr als 50 ehe-malige

Mitarbeiter des MPIKG auf Professuren an Universitätenberufen worden.Zum Schluss möchte ich nochmals erwähnen, dass wir

2010 mit der Planung des Erweiterungsgebäudes beginnenkonnten und im Jahre 2013 mit seiner Fertigstellung rechnen.Diese Erweiterung beseitigt dann den wohl dringendstenEngpass des Institutes, Arbeitsplatz, da die Zahl unserer Mit-arbeiter mit dem Erfolg und durch die erfolgreiche Einwer-bung von Drittmitteln in den vergangenen Jahren stetiggewachsen ist.An dieser Stelle möchte ich allen Kollegen und Mitarbei-

tern des MPIKG für ihre tatkräftige Unterstützung währendder letzten beiden Jahre danken. Mein Dank gilt auch unse-rem wissenschaftlichen Beirat, der unsere Arbeit sehr kom-petent und konstruktiv begleitet, und nicht zuletzt der Leitungder Max-Planck-Gesellschaft für die nachhaltige Unterstüt-zung über die vielen Jahre hinweg.

Markus AntoniettiGeschäftsführender Direktor 2009-2010

Fotos S. 6-10: G. Gnaudschun

This report describes the recent activities of the Max PlanckInstitute of Colloids and Interfaces (MPICI), which was found-ed in 1992 as one of the first new Max Planck Institutes afterthe reunification of Germany. Since 1999 the MPICI is locat-ed in the Science Park Potsdam-Golm and currently consistsof five departments. The department on „Biomolecular Sys-tems” (Peter Seeberger) is temporarily accommodated at theFU Berlin until the extension of our building will be complet-ed, presumably in 2013.This preface provides a brief introduction to some basic

aspects of the science of colloids and interfaces and a sum-mary of the main research topics that are pursued in the dif-ferent departments. The strong interconnections between allresearch activities within the MPICI will be emphasized.Colloids and interfaces consist of very small or thin

structures with linear dimensions between nanometers andmicrometers. On the one hand, the possible struxctures rep-resent a „world of hidden dimensions“. On the other hand,the dynamics and structures of these small entities deter-mine the behavior of much larger systems such as organisms.A more systematic understanding of colloids and inter-

faces is a prerequisite for many innovations, such as „smart“drug delivery systems and biomaterials. Such a deeperunderstanding can only arise from an interdisciplinaryapproach that combines chemical synthesis and biomimeticmaterials science with physical analysis and characterizationas well as theoretical modelling.The nano- and microstructures that are investigated at

the MPICI are built up from special, even smaller molecules,which are using the principle of “self assembly” to construct

ordered structures. The two departments on „BiomolecularSystems” (Peter Seeberger) and „Colloid Chemistry“(MarkusAntonietti) put a focus of activity onto this “chemistry of sys-tem design”.The department „Biomolecular Systems“, which has

been newly established in 2008, synthesizes and designssugar molecules and carbohydrates with well-defined andadjusted architectures. These complex macromolecules areable to specifically recognize and discriminate other macro-molecules such as proteins and antibodies. A long-term goalof this research is to develop novel vaccines based on suchsugar molecules.In the department „Colloid Chemistry“, a variety of

macromolecules is used in order to construct mesoscopiccompound systems and hybrid materials. One importantaspect of this activity is the molecular encoding of self-assembly and self-organization by specific molecular groupsthat guide these processes towards a certain target struc-ture. Another recent focus of the department is the transfor-mation of biomass into coal using the process of hydrother-mal carbonization. The latter process could provide an impor-tant contribution to carbon fixation and, thus, to the reduc-tion of CO2.Additional nanostructures that arise via self organization

are monolayers of organic molecules and multilayers of pos-itively and negatively charged polymers, two priorities of thedepartment „Interfaces“ (Helmuth Möhwald). These nanos-tructures are suspended at mesoscopic and macroscopicinterfaces and, in this way, become accessible to a widespectrum of imaging and scattering methods.

Preface

The multilayers of polyelectrolytes can be used to encapsu-late a variety of different molecules and nanoparticlecover-ing applicaitons in chemical engineering and pharmacology.Nano- and microstructures are built up in a hierarchical

fashion. Especially impressive examples for this „nested”system architecture are found in mineralized tissues such asbone, teeth, and seashells as well as in plants and their cellwalls. These systems are studied in the department „Bioma-terials” (Peter Fratzl) using a variety of experimental charac-terization methods. One particularly powerful method ismicrofocussed synchrotron radiation, by which one can deter-mine the structure of micrometer domains with atomic reso-lution and determine the structure-function relationships ofthese natural materials. One important aspect is theirextraordinary mechanical properties, which can adapt tochanging environmental conditions.The activities of the four experimental departments are

complemented by theoretical investigations in the depart-ment „Theory & Bio-Systems“ (Reinhard Lipowsky). Currentpriorities of this department are molecular machines as wellas bio-membranes and vesicles that are also studied experi-mentally using optical microscopy. The long-term goal ofthese research activities is to elucidate the fundamental prin-ciples and generic mechanisms that govern the selforganiza-tion of biomimetic and biological systems in the nanoregime.

All research topics that have been mentioned here will bedescribed in more detail in the main body of this report,which is organized according to the five departments of theMPICI. Each department consists of several research groups,each of which will present its research results as obtainedduring the past two years.Apart from its many research activities, the MPICI also

continued its successful higher academic education of youngfaculty. Indeed, more than 50 alumni of the MPICI have nowtaken up professorships in Germany and abroad.Finally, I would like to mention that we have started the

process of planning the new extension of our building in2010, and the completion is to be expected in 2013. Thisextension will probably resolve our main problem, the short-age of working space at the institute, as the number of staffwas continuously rising with the success, for instance meas-ured in larger external funding.I take this opportunity to thank all of my colleagues and asso-ciates at the MPICI for their active support during the pasttwo years. It is also my pleasure to acknowledge the com-prehensive advice that we again obtained from our scientificadvisory board. Last not least, I am grateful to the Directionboard of the Max Planck Society for their continuous supportof our institute.

Markus AntoniettiManaging Director 2009-2010

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PersonalDie Entwicklung der Zahlen ist wesentlich dadurch beein-flusst, dass ab 2009 die neue Abteilung „Biomolekulare Systeme“ voll funktionsfähig wurde und 2010 die Schrump-fung der Abteilung „Grenzflächen“ begann. Abb. 1 zeigt dahereinen leichten Anstieg des Stammpersonals nach 2008, aberschon 2008 einen sprunghaften Anstieg der Gesamtzahl derMitarbeiter mit dem Aufbau der neuen Abteilung. Da dazunoch etwa 50 kurzzeitige Gäste kommen, bleibt die Raum -situation trotz der vorübergehenden Unterbringung der neuenAbteilung auf dem Campus der Freien Universität Berlinangespannt. Erst der Bezug des Erweiterungsbaus im Wis-senschaftspark Potsdam-Golm, 2013/2014 wird eine Entlas-tung der Raumsituation bringen. Als Nebenbemerkung, 70%der Institutsangehörigen sind jünger als 35 Jahre, die übrigenverteilen sich etwa gleichmäßig über alle Altersklassen.

Abb. 2 zeigt ebenfalls einen drastischen Anstieg der Doktorandenzahlen in den letzten beiden Jahren, bei denender Anteil deutscher Mitarbeiter (55%) leicht gegenüber Aus-

ländern überwiegt. Da demgegenüber der Ausländeranteilbei den Postdoktoranden um 90% liegt (Abb. 3), beträgt dieserAnteil bei allen Wissenschaftlern um 70%. Von diesen stammen etwa 50% aus Europa, wobei in den letzten Jahrender Anteil der Westeuropäer gegenüber Osteuropäern leichtzugenommen hat (Abb. 4). Gegenüber früheren Jahren hat derAnteil an Amerikanern leicht zugenommen. Der Anteil an Chinesen sank dagegen etwas, vorwiegend, da zwei chine-sische Gruppenleiter in ihr Heimatland bzw. Australienzurückgekehrt sind. Insgesamt hat sich die Verteilung derNationalitäten damit dahingehend entwickelt, dass sichUngleichgewichte reduzieren.

BudgetAuch die Entwicklung des Etats verzeichnete 2009 einenSprung, da viele Investitionen und Baumaßnahmen mit Ein-richtung der Abteilung „Biomolekulare Systeme“ fällig wur-den (Abb. 5). Diese werden in Zukunft geringer sein undentsprechend erfolgte auch bereits 2010 eine geringere insti-

Das Institut in Zahlen

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30

60

90

120

150

20101998 1999 2000 20022001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Entwicklung der Doktorandenzahlen

Deutschland

Ausland

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40

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80

100

20101998 1999 2000 20022001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Entwicklung der Postdocs

Deutschland

Ausland

20101992 1994 1996 20001998 2002 2004 2006 2008

0

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200

250

300

350

400

Personal: Allgemeine Übersicht seit Gründung

feste Mitarbeiter befristete Mitarbeiter

Afrika und Mittlerer Osten7%

Übriges Asien16%

China18%

Nord- und Südamerika10%

Osteuropa18%

Westeuropa31 %

Verteilung der Nationalitäten

Fig. 1

Fig. 2 Fig. 4

Fig. 3

11

tutionelle Förderung. Es fällt jedoch auf, dass mittlerweileder Drittmittelanteil am Etat etwa 25% erreicht hat mit starksteigender Tendenz. Bei diesen Drittmitteln hat sich derAnteil des BMBF und der DFG deutlich erhöht (Abb. 6). Dies istinsofern erstaunlich, da das Institut gerade bei diesen Institu-tionen von mehreren regulären Förderwegen ausge schlos senist. Dies konnte offenbar dadurch mehr als kompensiert wer-den, da die Wissenschaftler bei Anträgen in Sonderprogram-men besonders erfolgreich waren. Auch der EU-Anteil blieberfreulich hoch und wird im nächsten Jahr 1 Mio. Euro über-steigen. Da das Institut keine Auftragsforschung durchführenwill und darf, ist der Anteil direkter Industrieförderung mitweniger als 2% des Etats relativ gering, aber konstant.Dieses ist wünschenswert für ein Institut der Grundlagen-forschung.

Wissenschaftliche Ergebnisse und deren EinflussWir sind zwar ein Forschungsinstitut und keine Universität.Dennoch betrachten wir als wichtigsten Ertrag nicht Papier,

sondern sehr gut ausgebildete junge Wissenschafter. Jähr -lich verlassen mehr als 5 Wissenschafter das Institut auf Pro-fessoren- oder äquivalente Stellen, 25-30 Doktorandenschließen ihre Arbeit ab und etwa 50 Postdoktoranden wech-seln auf neue Stellen. Die Zahl der Publikationen hat mitetwa 300 einen „Sättigungswert“ erreicht (Abb. 7a). DieseZahl ist gut, aber nicht überragend für ein Institut mit demAnspruch, an der Weltspitze zu stehen. Hervorragend jedochist die Zahl der Zitationen (Abb. 7b), mit denen sich das Insti-tut mit jeder Institution vergleichbarer Größe weltweit ver-gleichen kann. Dies ist zudem bemerkenswert für eine jungesInstitut, da Zitationen auch auf Reputation beruhen und diesemit dem Alter wächst. Diese Zahlen sind letztlich auch dafürverantwortlich, dass Wissenschafter hochkompetitive Preiseund Projekte gewannen und dass das Institut in Rankings wiedenen der Alexander-von-Humboldt Stiftung einen Spitzen-platz einnimmt.

0

5

10

15

20

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M €

20102005 2006 2007 2008 2009 Jahr

Institutionelle- und Drittmittelförderung

Institutionelle Förderung

Drittmittelförderung

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k €

Entwicklung der Drittmittel

ausländische Forschungsinstitutionen

Industrie/ privatwirtschaftliche Finanzierung

weitere öffentliche Finanzierung

EU

DFG

Volkswagenwerk und andere Stiftungen

BMBF

201020052004 2006 2007 2008 2009

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Jahr

50

0

100

150

200

250

300

350

Veröentlichungen pro Jahr

Fig. 6

Fig. 7aFig. 5

1995

1996

1997

1998

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2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Jahr

1.000

0

2.000

3.000

4.000

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7.000

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9.000

10.000

11.000

12.000

13.000

14.000

6.000

Zitierungen pro JahrFig. 7b

0

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20101998 1999 2000 20022001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

development of phd students

germany

foreign countries

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20101998 1999 2000 20022001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

development of postdocs

germany

foreign countries

20101992 1994 1996 20001998 2002 2004 2006 2008

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50

100

150

200

250

300

350

400

personnel: general overview since foundation

staff short term

africa and middle east7%

rest of asia16%

chinese18%

north and south america10%

eastern europe18%

western europe31 %

distribution of nationalities

PersonnelThe development of numbers is largely influenced by the factthat from 2009 the new department “Bimolecular Systems”came into full operation and that the downsizing of thedepartment “Interfaces” began in 2010. Consequently Fig. 1shows a slight increase in staff after 2008 but already in2008 a step-wise increase of employees paralleling theestablishment of the 5th department. Since we host in addi-tion about 50 short term guests there remains a tight pres-sure concerning space, although the new department couldbe established interim on the campus of the Free Univ. Berlin.This situation will only be relieved after the institute canmove into the extension building in 2013/2014. As a sidenote 70% of the institute members are aged below 35, theothers rather-evenly distributed over all ages. For reasons asabove Fig. 2 shows a drastic increase of the number of grad-uate students in the last 2 years with the fraction of Germans(55%) slightly above that of foreigners. This differs for thepostdocs where the fraction of foreigners is around 90%

(Fig. 3), and therefore their fraction concerning all scientists isaround 70%. Among them about 50% come from Europe, andin recent years the fraction of Western Europeans has slightlyincreased compared to Eastern Europeans (Fig. 4). Withrespect to previous years the fraction of Americans hasslightly increased. That of Chinese, on the other hand, hasdecreased predominantly since two Chinese group leadershave returned to there home country, respectively Australia.Altogether the distribution of nationalities has developed ina way that imbalances have been levelled off.

BudgetAlso the budget development exhibits a step in 2009 wheremany investments and construction measures were neededto establish the department “Biomolecular Systems”. Theseinvestments will be reduced in future and consequently theinstitutional funding decayed again in 2010 (Fig. 5). On theother hand it is remarkable that third party funding has mean-while exceeded a fraction of 25%. Among them the fraction

The Institute in Numbers

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Fig. 1

Fig. 2 Fig. 4

Fig. 3

0

5

10

15

20

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M €

20102005 2006 2007 2008 2009 year

institutional and external funds

institutional

external

0

900

1.800

2.700

3.600

4.500

k €

development of third party funds

Foreign Research Institutions

Industrie / Private Financing

Rest of Publicly Financing

EU

DFG

Volkswagen- and other Foundations

BMBF

201020052004 2006 2007 2008 2009

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Years

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150

200

250

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Published Items in Each Year

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

Years

1.000

0

2.000

3.000

4.000

5.000

7.000

8.000

9.000

10.000

11.000

12.000

13.000

14.000

6.000

Citations in Each Year

of the federal ministry of education and technology (BMBF)and of the German Science Foundation (DFG) have experi-enced a most drastic increase (Fig. 6). This is surprising sincethe institute is explicitly excluded from many regular fundingschemes of these institutions. Apparently this could be morethan compensated, since scientists have been especially suc-cessful with applications in special programmes. It is alsogratifying that the funding from European Union remainedhigh and this year will exceed 1 Mio. Euros. Because theinstitute does not want and is not allowed to perform con-tractual research for industry their contribution is below 2%of the budget, which is rather low and stable. This is desir-able for an institute with a basic science mission.

Scientific Results and ImpactAlthough being a research institute and no university we con-sider the most important result not paper but well-trainedyoung scientists. Annually more than 5 scientists leave theinstitute on professor positions or equivalent ones, 25-30

PhD students finish their theses and about 50 Postdocs leaveon new positions. The number of publications has arrived ata ”saturation value” around 300 (Fig. 7a). This is a good butnot an overwhelming number for an institute that claims tobe world-top. Overwhelming, however is the number of cita-tions (Fig. 7b) with which the institute need not fear a com-parison with any unit of comparable size world-wide. This isin addition remarkable for a rather young institute since cita-tions are also based on reputation and this increases withage. These numbers are basically the reason that scientistswin highly competitive awards and projects and that theinstitute is top-seeded in rankings like those of the Alexan-der-von-Humboldt foundation.

13

Fig. 6

Fig. 7a

Fig. 7b

Fig. 5

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 biomimetis-chen Materialien oder biologischen Geweben zu schlagen.Abb. 1 Zwei grundlegende Aspekte sind besonders bedeutendfür die Forschung. Die Untersuchung der strukturellen unddynamischen Hierarchien ermöglicht es, kolloidale Struk-turen mit größeren Einheiten zu verknüpfen. Die Aufklärungder generellen Mechanismen und Prinzipien, die auf bio-mimetische und biologische Systeme gleichermaßenangewendet werden können, stellt einen einheitlichen,konzeptuellen Rahmen dar.

Die vielfältige Funktionsweise biologischer Systeme hängtgrößtenteils von Struktur und Dynamik der Kolloide und Gren-zflächen auf submikroskopischer Ebene ab. Eine begrenzteZahl von Aminosäuren, Nukleotiden und Monosaccharidenbilden eine Vielzahl biologischer Polymere mit nanometer-großen Strukturen. Diese verbinden sich zu Filamenten,Membranen, Ribosomen und verschiedenen Biokolloiden, diesogar Mineralien enthalten können. Diese Strukturen bildendie Grundlage der extrazellulären Matrix und der Zellen selb-st und sind wesentlich für jeden lebenden Organismus. DerSchritt vom biologischen Polymer zur lebenden Zelle läuft imNanometer- und Mikrometerbereich ab und ist entscheidendfür die Funktionalität eines jeden Organismus. In Analogiedazu hängen die Funktionalität von biomimetischen Materi-alien und deren mechanische, optische oder magnetischeEigenschaften in hohem Maße von den Strukturen ab, die aufder Nano- bis Mikrometerskala erzeugt werden.

Kolloide und GrenzflächenDie aktuelle Forschung am Institut konzentriert sich auf kom-plexe, natürliche und künstliche Mehrkomponenten-Systemeund wendet dabei Techniken aus der Physik, Chemie, denMaterialwissenschaften und Biowissenschaften an. Wiruntersuchen die Struktur- bzw. Funktionsbeziehungen in hier-archischen biologischen Materialien; wir konstruieren exper-imentelle Modellsysteme; Schließlich entwickeln und kon-struieren wir theoretische Modelle. Das Wechselspiel von Experiment und Theorie hilft, ein

tieferes Verständnis der Ordnung von Kolloid- und Gren-zflächensystemen zu erlangen. Diese Erkenntnisse werdenfür die Verbesserung des Systemdesigns, die Leistungsopti-mierung und die Erhöhung der Zuverlässigkeit eingesetzt.Somit hat die Grundlagenforschung des MPI KG direkten Ein-fluss auf die Entwicklung bahnbrechender Technologien undderen zukunftsweisende Anwendungen. Ein besseres Ver-ständnis biologischer Systeme ist ein erster wichtiger Schrittund hat Einfluss auf die biomedizinischen Wissenschaften.So wurden beispielsweise kolloidbasierte Wirkstoff-Trans-portsysteme entwickelt oder krankheitsbedingte Veränderun-gen des Knochenmaterials charakterisiert. Zudem werdensynthetische Kohlenhydrate entwickelt, die zur Herstellungvon Impfstoffen und Diagnostika eingesetzt werden. Das Institut hat Weltklasseniveau in der Analyse, Syn-

these und der theoretischen Modellbildung harter und weich-er Materialien erreicht. Die Kompetenz im Bereich der Syn-these ist besonders breit: kristalline, oxidische Nanopartikelund neue Kohlenstoffvarianten werden mit Hilfe hydrother-maler und hochtemperierter Karbonisierung hergestellt.Diese Partikel bilden die Basis für neuartige Sensoren undfunktionale Beschichtungen oder können direkt in der Chro-matographie, der Katalyse bzw. als Füllmaterial in hybridenMaterialien angewendet werden. Neue Polymerisations-methoden zur Herstellung polymerer Nanopartikel sowie dieHeterophasen-Polymerisation mit deutlich geringerem Ein-fluss auf die Umwelt werden für nanoskopische Einkapselun-gen, Hybridisierungen oder grenzflächengesteuerte Synthe-sen benutzt. Für die Grundlagenforschung, aber auch für technische

Anwendungen ist neben den weichen und harten Strukturendas kontrollierte Einbringen von nanoskopisch kleinstenPoren als Transportkanäle in Füllmaterialien undFilmen bedeutsam. Die klar definierteEntwicklung geeigneter Strukturen undPorengrößen in kristallinen Materi-alien ermöglicht es uns, verbesserteElektroden, Sensorbeschichtungen,photovoltaische und elektro chromeGeräte herzustellen.

14

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.

Viele Eigenschaften und Interaktionen der kolloidalen Sys-teme werden durch ihre hoch spezifische Oberfläche beein-flusst. Deshalb sind Prozesse, die sich auf der Oberflächeabspielen, von besonderem Interesse. Darin eingeschlossensind der dynamische Austausch von Materie zwischen Gren-zfläche und Masse, die Struktur von Wasser und Hydra t -hüllen in der Nähe von Oberflächen, Enzymkatalyse genausowie Oberflächenkristallisation. Synthetisch beeinflusste Par-tikeloberflächen verändern ihre Aktivität und Funktionalität,können aber somit als Bausteine für supramolekulare Struk-turen dienen, die dann weiter in der supramolekularenChemie als funktionale Filme, reaktive Kapseln oderselbstreparierende Beschichtungen Anwendungfinden.

Hierarchische StrukturenZwei sehr verschiedene Wege, um kollo -idale Strukturen erzeugen und die Lückezwischen Molekülen und Materialien oderBauteilen zu schließen, werden am MPIKG ver-folgt: Die Bottom-Up Methode beinhaltet Poly-merisation, Selbstorganisation sowie Partikelbildungund -wachstum, die Top-down Methode hingegen Dispersion,Druck, Lithographie und Modellbildung. Die Methoden derPoylmersynthese helfen, komplexe Materialien zu erzeugen,die entweder komplett organisch sind, wie etwa Block-copolymere, oder organisch-anorganische Hybride.Amphiphile Blockcopolymere weisen synthetische

Analogien zu Lipidmolekülen auf, die in der Natur für die Bil-dung von Membranen, Vesikeln und komplexeren räumlichenAnordnungen verantwortlich sind. Vesikelmembranen könneneine lineare Größe zwischen 30 Nanometern und 100Mikrometern aufweisen. Als Konsequenz daraus variiert derBereich von intramembranen Domänen über neun Größenord-nungen zwischen kleinen Clustern von Lipidmolekülen undtausendstel Quadratmikrometern Membransegmenten. Die Anordnung von supramolekularen Strukturen wird

von schwachen Wechselwirkungen (van der Waals Kräfte)oder entropisch induzierten Interaktionen (z.B. hydrophoberEffekt) gesteuert. Die starke Abhängigkeit dieser Kräfte vonUmgebungsparametern führt hin zu reaktiven und selbs-theilenden Systemen.

Membranen und andere Grenzflächen können durchspeziell hinzugefügte Moleküle und Partikel funk-tionalisiert werden. Am MPIKG wurde eineüberaus effektive Methode für die Bildungvon eher komplexen Grenzflächenstrukturenentwickelt, die auf der nacheinander fol-genden Ablagerung von negativ und pos-itiv geladenen Polyelektrolyten basiert.

Darüber hinaus wird am Institut eingroßes Spektrum an experimentellenMethoden genutzt, um Struktur undDynamik von Kolloiden und Grenzflächen zucharakterisieren. Zudem werden verschiedeneMethoden der chemischen Analyse verwendet. Eine ent -scheidende Herausforderung bildet die simultane Bestim-mung von Mikro- und Nanometer großen Strukturen in hier-archischen Materialien. Spezielle, kombinierte Zugänge, dieauf Scanning Probe Methoden basieren und Elektronen, Pho-tonen und mechanische Spitzen benutzen, wurden ebenfallsam MPIKG entwickelt. Detaillierte Informationen werden

in den einzelnen Berichten der experimentellen Grup-pen gegeben.

Biomimetische SystemeBiomimetische Forschung erstreckt sich von denlebenden Systemen zu den Materialien undumgekehrt (siehe Abb. 1). Die Analyse der Struk-

tur- Funktionsbeziehungen in den Zellen und derextrazellulären Matrix, vom physikalisch-chemischen

Standpunkt, ergibt notwendige Informationen für den Aufbauvon biomimetischen Systemen. Künstliche biomimetischeSysteme werden genutzt, um etwa technische Probleme mitHilfe von Strategien für neue Materialien oder technischeGeräte zu beheben. Aber sie können auch als Modellsystemedas Verständnis für die natürlichen Vorbilder verbessern, dadiese meist zu komplex sind, um mit physikalischen Experi-menten oder theoretischen Methoden untersucht zu werden.Dies führt zu einem direkten Einfluss auf die Biomedizin,neue Wirkstoffträger und Behandlungsstrategien, und bes -seren Methoden für neue biomimetische Systeme.Derzeit gibt es verschiedene Strategien, um biomimetis-

che Systeme zu bilden. Erstens imitiert man die Bauprinzipi-en der Natur, vereinfacht jedoch ihre chemische Zusam-mensetzung. Beispiele sind Homopolymere, die nur auseinem Typ von Monomer aufgebaut sind oder Doppelschicht-Membranen, die aus nur einer Lipidsorte bestehen. Zweitensbegrenzt man sich auf bestimmte biologische Subsysteme,die nur eine kleine Anzahl von Komponenten enthalten. Unddrittens bildet man hybride Systeme, die eine Kombinationvon natürlichen und synthetischen Bestandteilen enthalten.Biologische Systeme bestehen aus einer Hierarchie von

Komponenten und Gerüsten. Auf der kolloidalen Ebene tref-fen verschiedene Komponenten aufeinander, die durchgeschlossene Membranen und unterschiedliche Gerüstegebildet und durch vernetzte Fasern aufgebaut werden.Hauptfunktion der Membrankomponenten ist es, den Raum ineinzelne Bereiche zu teilen und den selektiven Transport

15

zwischen den Komponenten zuermöglichen. Die primäre Aufgabe derFaserngerüste ist die Umstrukturierungder Komponenten und die Neuorganisation derräumlichen Anordnung.

Die Forschung am MPIKG beinhaltet auch das Studi-um von natürlichen Materialien wie Pflanzenzell-wände, Bindegewebe, Knochen sowie derenEigenschaften und Fähigkeit zu heilen undsich an wechselnde Umgebungsbedingun-gen anzupassen. Die Arbeit an bio-mimetischen Systemen schließt denAufbau und das Studium verschieden-er Komponenten mit ein: Tröpfchen inMikro- und Miniemulsionen, Vesikelnaus Lipiden oder polymeren Dop-pelschichten aus Polyelektrolyt-Multi-lagen bestehenden Kapseln. In diesenVerbindungen kann man physikalischeund chemische Prozesse der Strukturbil-

dung und Selbstorganisation durchführen.Sowohl der Top-down- als auch der Bottom-up-

Zugang werden bei der theoretischen Beschreibungvon biologischen und biomimetischen Systemen einge-

setzt. Ersterer basiert auf der Thermodynamik von Gren-zflächen und Membranen. Letzterer beginnt bei grob struk-turierten Monomer-Modellen und deren Interaktionen, diemit einer Vielzahl von theoretischen Methoden aus der sta-tistischen Physik untersucht werden. Ein langfristiges Ziel ist es multifunktionale Biomateri-

alien herzustellen, 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. Nüt-zlich wäre es, diese verschiedenen Ebenen in neue multi-funktionale Biomaterialien zu integrieren, die hierarchischaufgebaut sind und mit denen man die verschiedenen struk-turellen Ebenen biologischer Systeme separat oder simultanadressieren kann.

Ein weiteres sich abzeichnendes Thema sind aktivebiomimetische Systeme: Die Vielseitigkeit vonbiologischen Systemen ist eng mit der Tat-sache verbunden, dass sie aktiv sind, sichneu organisieren können und so die räum-liche Struktur auf der Nano- und Mikrom-

eterskala ausbilden. Diese Fähigkeit basiertauf aktiven Nanostrukturen wie z.B. Filament-

Monomeren und molekularen Motoren, die exer-gone chemische Reaktionen katalysieren. Es ist

möglich, diese Prozesse mit Hilfe von biomimetischen Mod-ellsystemen nachzubilden und systematisch zu studieren.Die Aktivitäten zu biomimetischen Systeme und die Aus-

bildung von jungen Forschern auf diesem Gebiet werdendurch die vom Institut ins Leben gerufene Internationale„Max Planck Research School on Biomimetic Systems“, dievom Marie-Curie Early Stage Training Netzwerk komplettiertwird, entscheidend gestärkt und unterstützt. Mit der Gründung der Abteilung „Biomolekulare Sys-

teme“ im Jahr 2009 hat das Institut einen weiteren Schwer-punkt im Bereich der Forschung an der Grenze von Chemieund Biologie gesetzt. Wiederum steht die Synthese von kom-plexen Molekülen, Kohlenhydraten und Glykokonjugaten imFokus. Synthetisch erzeugte Zucker dienen dazu, Prozesse anZelloberflächen zu studieren, die diese Biopolymere enthal-ten. Die Impfstoffentwicklung, diagnostische Verfahren undgrundlegende Immunologie werden durch die automatischeSynthese von Zuckern ermöglicht. Das Anbringen von syn-thetischen Zuckern an Polymeren, verschiedenen Ober-flächen und Nanopartikeln ermöglicht es, neue Materialienherzustellen, die Anwendung in der Polymerchemie und derBiomedizin finden.Das Institut konnte in den letzten Jahren grundlegende

Fragen angehen, die sich jetzt als lebensnahe Anwendungenin so verschiedenen Gebieten wie der Energie, Material-forschung und Biomedizin wiederfinden. Die methodologischeinwandfreie Basis ist das Fundament für starke, fachüber-greifende Interaktionen am MPIKG, die Einsichten in Gebieteerlauben wie sonst nirgendwo. Viele interessante Durch-brüche erwarten uns in den kommenden Jahren.

Markus Antonietti, Peter Fratzl, Reinhard Lipowsky,Helmuth Möhwald, Peter Seeberger

16

17

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

Colloid and interface science focuses on the size rangebetween “nano” and “micro” –„the world of hidden dimen-sions“ – and bridges the gap between molecules and bio-mimetic materials or biological tissues. Two scientificaspects are key in this realm (Fig. 1). Structural and dynami-cal hierarchies need to be understood to connect thenanoregime with much larger scales. Secondly, basic mecha-nisms and general principles have to be elucidated to pro-vide an unified conceptual framework for both biomimeticand biological systems.

The functional versatility of biological systems depends pri-marily on the structure and dynamics of colloids and inter-faces in the nanoregime. Relatively few amino acids,nucleotides and monosaccharides form a multitude of bio-logical polymers with sizes in the nanometer range. Thesebiopolymers further assemble into filaments, membranes,and various biocolloids that may contain mineral elements.Cells in turn are incorporate these higher order assembliesand are the basis of any living organism. The step frombiopolymers (few nanometers) to living cells (many microme-ters) is crucial for constructing the complex architecture oforganisms. Analogously, the function of biomimetic materialsand their mechanical, optical or magnetic properties dependlargely on the structures built in the nano- to micrometer sizerange.

Colloids and InterfacesCurrent research at the MPI-CI focuses on complex, naturaland artificial multicomponent systems, employing techniquesfrom physics, chemistry, materials science and the bio-sciences. We study structure/function relationships in hierar-chical biological materials; We construct experimental mod-el systems and characerize them; Finally, we construct andanalyze theoretical models.This interplay between experiment and theory helps to

gain a better understanding of colloidal and interfacial sys-tems. These insights help to improve system design, to opti-mize performance, and to increase reliability. Consequently,basic research at the MPI-CI has direct impact on the develop-ment of cutting edge technologies for the applications oftomorrow. A better understanding of biological systems is animportant first step towards impacting on the biomedical sci-ences. In this sense, colloidal drug-delivery systems have beendeveloped, understanding the changes in bone material arisingfrom disease help medical treatment and synthetic carbohy-drates are being developed as vaccines and diagnostis.The institute has gained world-class expertise in the

analysis, synthesis and theoretical modeling of hard and softmatter. The synthetic expertise is particularly broad: Crys-talline, oxidic nanoparticles and new types of carbon are pre-pared via hydrothermal and high temperature carbonizationpathways. The particles are the basis for novel sensors andfunctional coatings or can be directly applied in chromatog-raphy, catalysis, or fillers in hybrid materials. New polymer-ization methods for polymer nanoparticles and heterophasepolymerization with greatly reduced environmental impactare utilized for nanoscale encapsulation, hybridization andinterface driven synthesis.In addition to soft and hard structures, the controlled

generation of nanoscopic pore channel systems into bulkmaterials and films holds many promises for fundamentalscience and applications Rational, templated design of archi-tecture and pore size in crystalline materials enables us tomake better electrodes, sensing layers, photovoltaic andelectrochromic devices.Many interactions and properties of colloidal

systems are determined by their high specificsurface. Therefore, processes that occur atthe surface are of particular interestincluding dynamics of exchange of mat-ter between interface and bulk,, thestructure of water and hydration shells

Fig. 1: Research at the MPI-CI focuses on structures and processes inthe size range between nano and micro, the traditional domain of colloid and interface science. Therefore, questions involving moleculesto biomimetic materials and biological tissues.

near surfaces, recognition and enzyme catal-ysis as well as crystallization at surfaces. Syn-thetically manipulated particle surfaces changetheir interfacial activity, biofunctionalization and canserve as building blocks for supramolecular assemblies aswell as micro- and nanocontainers. Supramolecular chem-istry aids in the preparation of functional films, responsivecapsules and self-repairing coatings.

Hierarchical StructuresTwo fundamentally different routes to construct colloidalstructures and bridge the gap between molecules and mate-rials or tissues are currently pursued at the MPI-CI. Bottom-up approaches rely on polymerization, self-assembly, particlenucleation and growth. Top-down approaches include dis-persing, printing, lithography, and prototyping. Polymer syn-thesis methods help to create complex materials that areeither fully organic, such as block copolymers or organic-inor-ganic hybrids.Amphiphilic block co-polymers provide synthetic ana-

logues of lipid molecules that form bilayer membranes, vesi-cles and more complex spatial compartments in Nature. Vesi-cle membranes can have a linear size between 30 nanome-ters and 100 micrometers. As a consequence, the area ofintramembrane domains can vary over nine orders of magni-tude between small clusters of a few lipid molecules andmembrane segments of thousands of square micrometers.The assembly of supramolecular structures is governed

by weak interactions such as van der Waals forces or entrop-ically induced interactions such as the hydrophobic effect.The dependence of these forces on environmental parame-ters leads to responsive and self-healing systems.Membranes and other interfaces can be functionalized

by decorating them with additional molecules and particles.A powerful method to create rather complex interfacial struc-tures has been developed at the MPI-CI, based on the subse-quent deposition of negatively and positively charged poly-

electrolytes.A large spectrum of experimental meth-ods is used at the MPI-CI in order to char-acterize the structure and dynamics ofcolloids and interfaces. In addition,various methods of chemical analy-sis are applied. A particular chal-lenge represents the simultaneousdetermination of structures in the

microand nano-range in a hierarchicalmaterial. Special combination approaches

based on scanning probe methods utilizingelectrons, photons and mechanical tips are being

developed in the MPI-CI. More details on the various meth-ods are provided 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 can

construct 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 onlya 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 hybridsystems ,which contain a combination of natural and syn-thetic components.Biological systems contain a hierarchy of compartments

and 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 MPI-CI involves the study of natural

materials, such as plant cell walls, connective tissue andbone, their properties and their capability to heal and adapt

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to changing environmental conditions. Work on biomimeticsystems includes the construction and study of differenttypes of compartments: droplets in micro- and miniemul-sions, vesicles formed from lipid or polymeric bilayers, andcapsules existing of 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 top-down approach is based on the thermodynamics ofinterfaces and membranes, the bottom-up method startsfrom coarse-grained models for the molecular building blocksand their interactions. A long-term goal is the creation of multifunctional bio-

materials that are based on the fact that biomimetic systemssuch as synthetic polymers can interact with biological sys-tem itself – they can bind to cells. Synthetic scaffolds canhelp to spatially arrange cells into tissues. Integrating differ-ent levels of control into new multifunctional biomaterialsthat are organized in a hierarchical manner would help usto address the different structural levels of the biological systems.Active Biomimetic Systems are another emerging topic:

Biological systems are versatile since they can activelyadjust their spatial structure on the nano- and microscale.Active nanostructures such as filament monomers andmolecular motors that can catalyze exergonic chemical reac-tions are the basis fort hese events. It is now possible to imi-tate these processes in biomimetic model systems and tostudy them in a systematic manner.The International Max-Planck Research School on Bio-

mimetic Systems supports the research on biomimetic sys-tems by improving the training of young researchersin this emerging field. A Marie-Curie EarlyStage Training Network, comple-ments the educational activi-ties in this area.

With the arrival of the new department “Biomolecular Sys-tems” in 2009 the Institute added strength at the chemistry-biology interface. Again, the synthesis of complex molecules,carbohydrates and glycoconjugates in this case, is at the cen-ter of the activities. Synthetic sugars serve to study process-es on the surface of cells that involve these biopolmyers.Vaccine development, diagnostic approaches and fundamen-tal immunology all are enabled by the automated synthesis ofsugars. The placement of synthetic sugars on polymers andmany different surfaces and nanoparticles provides opportu-nities for new materials that can be applied to problemsassociated with biomedical sciences and polmer chemistry. The institute has been able to address fundamental

questions in the past few years that are now beginning totranslate into real-life applications in areas as diverse asenergy, materials and biomedical research. The soundmethodological foundation provides the basis for strongcross-disciplinary interactions that provide insights in areasthat cannot be tackled elsewhere. Many interesting break-throughs await us in the coming years.

Markus Antonietti, Peter Fratzl, Reinhard Lipowsky, Helmuth Möhwald, Peter Seeberger

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Kooperationen mit Universitäten:Zwischen dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Gren-zflächenforschung (MPIKG) und der Universität Potsdambesteht seit Institutsgründung eine intensive und guteZusammenarbeit. Prof. Antonietti, Prof. Fratzl, Prof. Lipowskyund Prof. Möhwald sind Honorarprofessoren an der Univer-sität Potsdam. Dies spiegelt sich in einer intensivenLehrtätigkeit sowohl in Bereichen des Grundstudiums alsauch in den Wahlpflichtfächern wider. Prof. Fratzl und Prof.Lipowsky sind Honorarprofessoren an der Humboldt Univer-sität zu Berlin und Prof. Seeberger an der Freien UniversitätBerlin. Darüber hinaus wurde Prof. Rabe vom Institut fürPhysik der Humboldt-Universität 2005 als Auswärtiges Wis-senschaftliches Mitglied an das MPI für Kolloid- und Gren-zflächenforschung berufen.Die International Max Planck Research School über „Bio-

mimetische Systeme“ ist ein Graduierten-Kolleg, daszunächst gemeinsam mit der Universtät Potsdam eingerichtetwurde und an der sich seit 2006 auch die Humbodt-Univer-sität und die beiden Fraunhofer-Institute in Golm beteiligen.Der Sprecher der Schule ist Prof. Lipowsky, der die Schule1999 beantragt hatte. Zur weiteren Verstärkung der Zusammenarbeit wurden

zwei Juniorprofessuren an der Universität Potsdam ein-gerichtet, besetzt durch Prof. Andreas Taubert (Kolloid-chemie) und durch Prof. Matias Bargheer (Grenzflächen). ImApril 2009 wurde Matias Bargheer zum W3-Professor an derUniversität Potsdam (UP) ernannt. Die Kooperation mit demMPIKG bleibt bestehen.Das Institut war von 1998 bis 2009 über den Sonder-

forschungsbereich (SFB) 448 „Mesoskopische Verbundsys-teme“ mit der Universität Potsdam und allen drei BerlinerUniversitäten verknüpft. Es ist beteiligt am Elitenetzwerk„Unifying Concepts in Catalysis“, das von der TU Berlingeleitet wird. Über den SFB 760 „Musculoskeletal Regenera-tion“, der von der Charité - Universitätsmedizin Berlin koor-diniert wird sowie den SFB 765 „Multivalenz als chemischesOrganisations- und Wirkprinzip“, von der FU koordiniert,kooperiert es ferner mit der FU Berlin und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Institut für Polymerforschung). Darüberhinaus ist es auch Mitglied des vom Bundesministerium fürBildung und Forschung (BMBF) finanzierten Berlin-Branden-burger Zentrums für Regenerative Therapien (BCRT) sowieder von der DFG-Exzellenzinitiative geförderten Graduierten-schule Berlin-Brandenburg School of Regenerative Therapies(BSRT). Zudem koordiniert Prof. Fratzl das DFG-Schwerpunkt-programm SPP 1420 „Biomimetische Materialforschung“, andem mehr als zehn Universitäten sowie Max-Planck-Institutebeteiligt sind, das Bauprinzipien und Herstellung von neuarti-gen, hierarchisch strukturierten Materialien untersucht, dieauf natürlichen Vorbildern basieren.Eine Plattform für die Untersuchung biologischer Proben

mit Synchrotronstrahlung wird in enger Kooperation mit derUniversität Heidelberg am Helmholtz-Zentrum Berlin fürMaterialien und Energie betrieben. Großes Engagement giltder Betreuung und dem Aufbau von Messplätzen an denBerliner Neutronen- und Synchrotronstrahlungsquellen sowiedem Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Internationale und nationale Kooperationen:Im Rahmen von europäischen Förderprogrammen, insbeson-dere dem 6. und 7. Rahmenprogramm der EU, partizipierenArbeitsgruppen des Instituts an Networks of Excellence-(NoE), Marie Curie- und Specific Target Research Projects(STREP)-Maßnahmen. Insgesamt laufen zurzeit fünf EU-Pro-jekte innerhalb des 6. und sieben EU-Projekte innerhalb des7. Rahmenprogramms, davon zwei ERC Advanced Grants. Bilaterale- und Kooperationsprojekte bestehen zur Zeit

unter der Förderung der European Space Agency (ESA), derNATO, des Deutschen Akademischen Austausch Dienstes(DAAD), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), derGerman Israel Foundation (GIF) for Scientific Research andDevelopment, den National Institutes of Health (NIH), desSchweizer Nationalfonds, der Schweizerischen Eidgenossen-schaft sowie der VW-Stiftung mit Frankreich, der Gemein-schaft Unabhängiger Staaten (GUS), Griechenland, Großbri-tannien, Irland, Italien, Israel, Niederlande, Norwegen, Portu-gal, Polen, Schweiz, Schweden, Spanien, Ukraine und denUSA. Darüber hinaus wird in enger Zusammenarbeit mit demLudwig-Boltzmann Institut für Osteologie in Wien (Österreich)an klinisch orientierter Knochenforschung gearbeitet.Die Abteilung Grenzflächen unterhält zusammen mit der

Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein Interna-tionales Labor in Peking und ein gemeinsames Labor mit demNational Institute for Materials Science (NIMS) in Tsukuba(Japan). Darüber hinaus betreibt sie seit 2008 ein „Labora-toire Européen Associé über „Sonochemie“ mit dem CEA-Institut für Separationschemie in Marcoule.Die Abteilung Kolloidchemie hat 2001 zusammen mit dem

Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale(CAS) eine Internationale Partnergruppe in Hefei eingerichtet.Im Weiteren liefen in 2004 die aus dem strategischen

Innovationsfonds 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 wurde in der ersten Phasebis 2009 von Prof. Antonietti geleitet. Die Forschungsinitiativewird von der MPG mit insgesamt rund 4 Mio. Euro aus demStrategischen Innovationsfonds gefördert. Darüber hinaus kooperierte das Institut mit den Fraunhofer-

Instituten für Angewandte Polymerforschung und Biomedizinis-che Technologie und der Universität Potsdam bis 2010 in demProjekt "Bioaktive Grenzflächen". Der MPG-Anteil (Strategie-fonds) am Gesamtvolumen von 3.5 Mio. Euro betrug 0.9 Mio.Euro. Außerdem beteiligt es sich an dem vom BMBF ge -förderten Netzwerk GoFORSYS über Systembiologie sowie andem von der DFG geförderten internationalen Gra du ier -tenkolleg über „Self-assembled Soft Matter Nanostructures“.

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Wissenschaftliche Beziehungen

Industriekooperationen, Verwertungsverträge, AusgründungenIndustriekooperationen bestehen unter anderem mit BASF-Coatings, Merck, Servier, der Beiersdorf AG und AstraZenecaUK. Das Institut hält gegenwärtig 43 Patente. Im Zeitraum von1993-2000 erfolgten insgesamt sieben Ausgründungen: Capsu-lution Nanoscience AG, Colloid GmbH, Nanocraft GmbH,Optrel, Riegler & Kirstein, Sinterface und Oxidion GmbH.

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. Mit Einrichtung der Abteilung „Biomolekulare Sys-teme“ hat das Institut sein Spektrum erweitert und den Fokusauf Biowissenschaften verstärkt.

Editorial Boards und FachbeiräteUnsere Wissenschaftler fungieren als Gutachter und Berater vonfachspezifischen Zeitschriften und Journalen. In der folgendenListe sind nur die Wissenschaftler angeführt, die entweder Her-ausgeber oder Mitglied eines Editorial Boards sind. Des Weitereninformieren wir Sie über Mitgliedschaften in Fachbeiräten.

Editorial Boards:· ACS Chemical Biology (P. Seeberger)· Applied Rheology (M. Antonietti)· Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry (P. Seeberger)· Advances in Colloid and Interface Science (R. Miller, Herausgeber)· Advanced Engineering Materials (P. Fratzl)· Beilstein Journal of Organic Chemistry (P. Seeberger)· Bioinspiration & Biomimetics (P. Fratzl)· Biomacromolecules (H. Möhwald)· Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (P. Seeberger)· Bioorganic & Medicinal Chemistry (P. Seeberger)· Biophysical Review Letters (P. Fratzl, R. Lipowsky (Herausgeber), H. Möhwald)· Biophysical Journal (R. Lipowsky)· Calcified Tissue International (P. Fratzl)· Chemistry of Materials (M. Antonietti, H. Möhwald)· Colloids and Surfaces (J. Li, Herausgeber)· Colloid & Polymer Science (M. Antonietti)· Current Opinion in Colloid & Interface Science (H. Möhwald)· Current Chemical Biology (P. Seeberger)· Current Organic Synthesis (P. Seeberger)· Current Opinion in Chemical Biology (P. Seeberger)· HFSP Journal (P. Seeberger)· Journal of Biotechnology (P. Seeberger)· Journal of Carbohydrate Chemistry (P. Seeberger)· Journal of Materials Chemistry (H. Möhwald)· Journal of Structural Biology (P. Fratzl)· Journal of Statistical Physics (R. Lipowsky)· Langmuir (H. Möhwald, M. Antonietti) · Macromolecular Biosciences (P. Seeberger)· Macromolecular Chemistry and Physics (H. Möhwald)

· Macromolecular Journals of VCh (M. Antonietti)· Macromol. Rapid Commun. (H. Möhwald)· Materials Transactions (P. Fratzl)· Nach. Chem. Lab. Tech. (M. Antonietti)· Nano-Letters (H. Möhwald)· New Journal of Chemistry (M. Antonietti)· Journal of Rheology (M. Antonietti)· Physical Chemistry Chemical Physics (H. Möhwald)· Polymer (M. Antonietti)· Progress in Polymer Science (M. Antonietti)· QSAR & Combinatorial Science (P. Seeberger)· Review in Molecular Biotechnology (M. Antonietti)· Soft Matter (H. Möhwald)· The Open Cell and Developmental Biology Journal (P. Seeberger)· The Open Medicinal Chemistry Journal (P. Seeberger)

Fachbeirat:· Adolphe Merkle Institute (AMI) Fribourg (H. Möhwald)· Alberta Ingenuity Centre for Carbohydrate Science (P. Seeberger)· Austrian Nano Initiative (H. Möhwald, Beirat und Jury)· Bayreuther Zentrum für Kolloid- und Grenzflächenforschung (H. Möhwald)· Berlin-Brandenburg School of Regenerative Therapies BSRT (P. Fratzl, Lenkungsausschuss)· Biofibres Materials Centre, Stockholm (H. Möhwald)· DECHEMA Arbeitsgruppe über „Chemische Nanotechnologie” (H. Möhwald)· Department of Materials, ETH Zürich (P. Fratzl, Gutachterkommission, Vorsitz)· EFMEC Prous Technology Award (P. Seeberger, Auswahlgremium)· Elitenetzwerk Bayern (R. Lipowsky)· EuroCarb DB Consortium (P. Seeberger)· Fondation ICFRC, International Center for Frontier Research in Chemistry, Strasbourg (H. Möhwald)· Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (H. Möhwald)· FWF Fonds zur Förderung der Wissenschaftlichen Forschung(P. Fratzl, Aufsichtsrat)· German Colloid Society (H. Möhwald)· Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (P. Fratzl, Aufsichtsrat)· Institute of Biophysics and Nanosystems Research of theAustrian Academy of Science (ÖAW), Graz (H. Möhwald, Vorsitzender)· Institute of Science and Technology Austria (P. Fratzl, Fachbeirat) · Klung-Wilhelmy-Weberbank Award (P. Seeberger,Auswahlgremium)· Material Science in Gothenborg (H. Möhwald) · Minerva Foundation, Centers Committee (P. Fratzl, Vorsitz)· Minerva-Weizmann Committee (P. Seeberger)· PETRA III microfocus beamline (P Fratzl)· Photon Science Committee DESY (P. Fratzl, Chair bis 2009)· Radeboud University Nijmwegen (P. Seeberger) · Tesfa-Ilg Foundation (P. Seeberger, Gründungsmitglied)· University College London, Dept. of Chemistry (P. Seeberger)· WYSS Institute for Bioinspired Engeneering at Harvard University (P. Fratzl, Fachbeirat)

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National Cooperations:Co-operations with UniversitiesThe Max Planck Institute of Colloids and Interfaces (MPIKG)and the University Potsdam maintain since its foundationintense and well-connected research co-operations. Prof.Antonietti, Prof. Fratzl, Prof. Lipowsky and Prof. Möhwaldhold Honorary Professorships at the University Potsdamwhich reflect intensive teaching in basic studies as well as inspecialized subjects. In addition to this Prof. Fratzl and Prof.Lipowsky hold Honorary Professorships at the Humboldt Uni-versity Berlin and Prof. Seeberger at the Free UniversityBerlin. In 2005 Prof. Rabe of the Humboldt University Berlin(Institute of Physics) was appointed as Foreign Member ofthe Max Planck Institute of Colloids and Interfaces. 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 and the two FraunhoferInstitutes in Golm as well. The chairman of the school is Prof.Lipowsky who proposed the school in 1999.For additional intensification of the collaboration two

Junior Professorships were established at the UniversityPotsdam: Prof. Matias Bargheer (Department of Interfaces)and Prof. Andreas Taubert (Department of Colloid Chemistry).In April 2009 Matias Bargheer was appointed as W3 profes-sor at the University Potsdam (UP). The cooperation with theinstitute will go on. Besides this the institute was connected with the Uni-

versity Potsdam and with all three Berlin universities throughthe German Research Foundation (DFG) priority program“Mesoscopic Composites” from 1998 to 2009. It is alsoinvolved in the Cluster of Excellence “Unifying Concepts inCatalysis“, which is co-ordinated by the Technical UniversityBerlin. Furthermore the MPICI cooperates in the new SFBprogram “Musculoskeletal Regenaration” (co-ordinated byCharité, Medical University, Berlin) and the by the FU coordi-nated SFB 765 “Multivalent Display” with the Free UniversityBerlin and the Institute of Polymer Research at theHelmholtz-Zentrum Geesthacht. It is also a member of theBMBF financed Berlin-Brandenburg Center for RegenerativeTherapies (BCRT) and the Berlin-Brandenburg School ofRegenerative Therapies (BSRT), funded by the Excellence Ini-tiative of the DFG. On top of this Prof. Fratzl co-ordinates theDFG priority program SPP 1420 “Biomimetic MaterialsResearch”, in which more than ten universities as well asMax Planck Institutes take part. The aim is to explore thepossibility of generating new material classes of great poten-tial by combining the degrees of freedom of hierarchicalstructuring inspired by nature with the variety of materialsoffered by engineering.Furthermore a platform for investigating biological spec-

imens at Synchrotrons is set up together with the UniversityHeidelberg and is run by the Helmholtz Centre Berlin forMaterials and Energy. Big engagement required also themaintenance and build-up of beamlines at the neutron- andsynchrotron radiation sources in Berlin and the German elec-tron synchrotron (DESY) in Hamburg

International and National Co-operations:Several research groups take part in Networks of Excellence(NoE), Marie Curie and Specific Target Research Projects(STREP) within the framework of European programs, espe-cially the 6th and 7th framework program of the EU. In totalthere are five EU projects within the 6th, and seven withinthe 7th framework program, including two ERC AdvancedGrants. Beyond the collaborations described there exist bilateral

and co-operation projects under assistance of the EuropeanSpace Agency (ESA), the NATO, the German AcademicExchange Service (DAAD), the German Research Foundation(DFG), German Israel Foundation (GIF) for Scientific Researchand Development, the National Institutes of Health (NIH),Swiss National Science Foundation (SNSF) and the VW -Stiftung with Commonwealth of Independent States (CIS),France, Greece, Ireland, Italy, Israel, the Netherlands, Nor-way, Poland, Portugal, Switzerland, Sweden, Ukraine, UnitedKingdom (UK) and the USA. Clinically oriented bone researchis carried out in close collaboration with the Ludwig Boltz-mann Institute of Osteology in Vienna (Austria).In addition the Department of Colloid Chemistry together

with the Hefei National Laboratory for Physical Sciences atMicroscale (CAS) started an International Partner Group inHefei in 2001. Moreover the Department of Interfaces hasestablished together with the Chinese Academy of Sciencesan International Joint Laboratory in Beijing and a Joint Labo-ratory with the National Institute for Materials Science inTsukuba (Japan). Furthermore there exists a LaboratoireEuropéen Associé about „Sonochemistry“. It is run since2008 together with the CEA Institute of Separation Chemistryin Marcoule.Also the projects “Plant Cell Wall” and “EnerChem”,

funded by the strategic innovation funds of the Max PlanckSociety have been successfully started in 2004. EnerChem isa research association of five Max Planck Institutes whichwas coordinated by Prof. Antonietti in the first phase till2009. The research initiative is funded with 4. Mill. EUR.Furthermore a co-operation project between the institute

and the Fraunhofer Institutes of Applied Polymer Research andBiomedical Technology and the University Potsdam called“Bioactive Interfaces” lasted till 2010. The research projectwas funded with altogether 3.5 Mill EUR. The part of thestrategic innovation funds of the Max Planck Society amount-ed to 0.9 Mill EUR. The institute also takes part in the systemsbiology network GoFORSYS, which is funded by the BMBF andthe international graduate program “Self-assembled Soft Mat-ter Nanostructures”, which is funded by the DFG.

Co-operations with Industry, Application Contracts, Spin-OffsAmong many industry contacts co-operations with well-defined targets have been with BASF Coatings, Merck, Servi-er, der Beiersdorf AG und AstraZeneca UK. At present theMPIKG upholds 43 patents. In the period from 1993-2006 sev-en spin-offs have been launched: Capsulution NanoscienceAG, Colloid GmbH, Nanocraft GmbH, Optrel, Riegler &Kirstein, Sinterface and Oxidion GmbH.

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Scientific Relations

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. With the establishment of the “Bio-molecular Systems” department the scientific spectrum hasbeen enlarged and the focus on biological sciences has beenstrongly intensified.

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:· ACS Chemical Biology (P. Seeberger)· Applied Rheology (M. Antonietti)· Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry (P. Seeberger)· Advances in Colloid and Interface Science (R. Miller, Editor)· Advanced Engineering Materials (P. Fratzl)· Beilstein Journal of Organic Chemistry (P. Seeberger)· Bioinspiration & Biomimetics (P. Fratzl)· Biomacromolecules (H. Möhwald)· Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters (P. Seeberger)· Bioorganic & Medicinal Chemistry (P. Seeberger)· Biophysical Review Letters (P. Fratzl, R. Lipowsky (Editor), H. Möhwald)· Biophysical Journal (R. Lipowsky)· Calcified Tissue International (P. Fratzl)· Chemistry of Materials (M. Antonietti, H. Möhwald)· Colloids and Surfaces (J. Li, Editor)· Colloid & Polymer Science (M. Antonietti)· Current Opinion in Colloid & Interface Science (H. Möhwald)· Current Chemical Biology (P. Seeberger)· Current Organic Synthesis (P. Seeberger)· Current Opinion in Chemical Biology (P. Seeberger)· HFSP Journal (P. Seeberger)· Journal of Biotechnology (P. Seeberger)· Journal of Carbohydrate Chemistry (P. Seeberger)· Journal of Materials Chemistry (H. Möhwald)· Journal of Structural Biology (P. Fratzl)· Journal of Statistical Physics (R. Lipowsky)· Langmuir (H. Möhwald, M. Antonietti)· Macromolecular Biosciences (P. Seeberger)· Macromolecular Chemistry and Physics (H. Möhwald)· Macromolecular Journals of Wiley-VCH (M. Antonietti)· Macromol. Rapid Commun. (H. Möhwald)· Materials Transactions (P. Fratzl)· Nach. Chem. Lab. Tech. (M. Antonietti)· Nano-Letters (H. Möhwald)· New Journal of Chemistry (M. Antonietti)· Journal of Rheology (M. Antonietti)· Physical Chemistry Chemical Physics (H. Möhwald)

· Polymer (M. Antonietti)· Progress in Polymer Science (M. Antonietti)· QSAR & Combinatorial Science (P. Seeberger)· Review in Molecular Biotechnology (M. Antonietti)· Soft Matter (H. Möhwald)· The Open Cell and Developmental Biology Journal (P. Seeberger)· The Open Medicinal Chemistry Journal (P. Seeberger)

Advisory Boards:· Adolphe Merkle Institute (AMI) Fribourg (H. Möhwald)· Alberta Ingenuity Centre for Carbohydrate Science (P. Seeberger)· Austrian Nano Initiative (H. Möhwald, Board and Jury)· Bayreuther Zentrum für Kolloid- und Grenzflächenforschung(H. Möhwald)· Berlin-Brandenburg School of Regenerative Therapies, BSRT(P. Fratzl, steering commitee)· Biofibres Materials Centre, Stockholm (H. Möhwald)· DECHEMA Research Group on “ChemicalNanotechnology” (H. Möhwald)· Department of Materials, ETH Zürich (P. Fratzl, Review Committee, Chair)· EFMEC Prous Technology Award (P. Seeberger, SelectionCommittee)· Elitenetzwerk Bayern (R. Lipowsky)· EuroCarb DB Consortium (P. Seeberger)· Fondation ICFRC, International Center for Frontier Researchin Chemistry, Strasbourg (H. Möhwald)· Fraunhofer-Institute of Applied Polymer Research (H. Möhwald)· German Colloid Society (H. Möhwald, President)· The Helmholtz Centre Berlin for Materials and Energy (Peter Fratzl, Board of Directors)· FWF Austrian Science Fund (Peter Fratzl, Board of Directors)· Institute of Biophysics and Nanosystems Research of theAustrian Academy of Science (ÖAW), Graz (H. Möhwald,Chair)· Institute for Science & Technology Austria (P. Fratzl, Scientific Advisory Board)· Institute of Theoretical Physics, CAS (R. Lipowsky)· Klung-Wilhelmy-Weberbank Award (P. Seeberger, SelectionCommittee)· Material Science in Gothenborg (H. Möhwald)· Minerva-Weizmann Committee (P. Seeberger)· Minerva Foundation, Centers Committee (P. Fratzl, Chair)· PETRA III Microfocus Beamline (P. Fratzl)· Photon Science Committee DESY (P. Fratzl, Chair until 2009)· Radeboud University Nijmwegen (P. Seeberger) · Tesfa-Ilg Foundation (P. Seeberger, Founding Member)· University College London, Dept. of Chemistry (P. Seeberger)· WYSS Institute for Bioinspired Engeneering at Harvard University (P. Fratzl, Scientific Advisory Board)

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Das Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenfor-schung (MPIKG) koordiniert gemeinsam mit der UniversitätPotsdam seit 2000 die „Internationale Max Planck ResearchSchool (IMPRS) über Biomimetische Systeme“. Die Schulewurde von 2004 bis 2008 um ein European Early Stage Trai-ning (EST) Netzwerk erweitert, das aus sechs europäischenGruppen in Kopenhagen, Düsseldorf, Edinburgh, Leoben,Mailand und Toulouse bestand.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, grundle-gende Kenntnisse über biologische und biomimetische Syste-me zu vermitteln und damit eine fachübergreifende Ausbil-dung anzubieten. Die auf Englisch gehaltenen Kurse, Semi-nare und Workshops werden von international renommiertenDozenten des jeweiligen Forschungsgebietes gehalten.

Was sind biomimetische Systeme?Biomimetische Systeme sind Modellsysteme, mit denen manbestimmte biologische Zusammenhänge nachahmen kann.Diese sind sehr komplex und weisen innerhalb unterschied-licher Längenskalen viele Ebenen der Selbstorganisation auf.Das Graduiertenprogramm am MPIKG erforscht biomimeti-sche Systeme im Bereich supramolekularer und kolloidalerGrößenordnungen. Diese Systeme werden hauptsächlichdurch die innere Architektur von Zellen inspiriert, enthaltenviele Makromoleküle und weiche Nanostrukturen mit linea-

ren Dimensionen zwischen einigen Nano- und vielenMikrometern.

Die aktuelle Forschung über biomimeti-sche Systeme am MPIKG beinhaltet fol-gende Themenbereiche: Wasserstruktur;Polyelektrolyte und andere wasserlösli-che Polymere; flexible Membranen mitmehreren Lipidkomponenten; Diblock-Copolymerschichten und Polyelektro-lyt-Multischichten; Membranfusion,aktiver Transport von molekularenMotoren; Regulation von zellulärenProzessen; Biomineralisation und Kno-chen; Netzwerkdynamik und Evolution;Systembiologische Projekte.

Lehrprogramme über Biomimetische SystemeDas Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenfor-schung hat die große Bedeutung biomimetischer Systemeschon früh erkannt. Die Auseinandersetzung mit dieser The-matik erfolgte lange bevor diese als Trendbegriff in dieMedien und die wissenschaftliche Gemeinschaft eingegan-gen ist. Die typische, traditionell ausgerichtete Ausbildungder meisten Studenten reicht allerdings nicht für ein befrie-digendes Grundwissen in der Biomimetik aus. Es gibt dahereinen starken Bedarf an multidisziplinär geschulten Studen-ten, um diesen wachsenden Bereich ausreichend entwickelnund ausbauen zu können.Der Antrag für die Internationale Max Planck Research

School (IMPRS) über „Biomimetische Systeme“ wurde 1999von einem von uns (R.L.) eingereicht und von der Leitung derMax-Planck-Gesellschaft zunächst für einen Zeitraum vonsechs Jahren bewilligt. Die Schule eröffnete daraufhin daserste Semester im Jahr 2000. Nach erfolgreicher Evaluierungim Jahr 2004 erhält die Schule eine weitere Förderung vonsechs Jahren bis Ende 2012.

Partner der SchuleVon 2000 bis 2003 bestand die IMPRS aus sieben Partner-gruppen: den dre