DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien
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Das DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e. V. (ehemals: Deutsches Wollforschungsinstitut) ist eine außeruniversitäre Forschungseinrichtung der Leibniz-Gemeinschaft mit Sitz in Aachen. Das Institut widmet sich der interdisziplinären Entwicklung von Materialien mit adaptiven, dynamischen und aktiven Eigenschaften, die sich an Vorbildern aus der Natur orientieren und komplexe Funktionen übernehmen können. Ziel ist es, zukunftsweisende Beiträge zu einer verbesserten gesellschaftlichen Gesundheitsversorgung und zu mehr Nachhaltigkeit zu leisten. Das Institut wurde am 1. Januar 2014 als erstes Aachener Institut in die Leibniz-Gemeinschaft aufgenommen.[1]
Geschichte
Das Institut wurde 1952 in Aachen als Deutsches Wollforschungsinstitut (DWI) gegründet und in einem Gebäude an der Ecke Kreuzherrenstraße/Veltmanplatz in Aachen untergebracht.
Erster Institutsdirektor von 1952 bis 1985 war der Chemiker Helmut Zahn, unter dessen Leitung die Erforschung von Wolle sowie anderer proteinbasierter Materialien der Textilindustrie vorangetrieben wurde. Einen weiteren Meilenstein stellt die chemische Totalsynthese des Insulins dar, wobei es sich zugleich auch um die weltweit erste Proteinsynthese überhaupt handelte. Nach Zahn übernahm der Chemiker Hartwig Höcker die wissenschaftliche Leitung des Instituts. Während seiner Amtszeit wurde insbesondere die Biomaterialforschung am DWI weiter ausgebaut.
Unter der Leitung von Martin Möller wurde das Institut ab den 2000er Jahren strategisch neu ausgerichtet und der Schwerpunkt stärker auf moderne Materialwissenschaften und Soft-Matter-Forschung gelenkt. Mit der Erweiterung um eine zweite Professur zog das Institut 2004 in einen Neubau an der Forckenbeckstraße auf dem Campus Melaten der RWTH Aachen um.
Gleichzeitig erfolgte die Umbenennung in „DWI an der RWTH Aachen e. V.“ sowie die Eintragung in das Vereinsregister.[2] Nach dem Bezug eines Erweiterungsbaus im Jahr 2011 wurde 2012 unter anderem ein 3F-Labor für funktionale Oberflächen, Filme und Fasern eingerichtet. Im selben Jahr wurden anlässlich des 60-jährigen Bestehens des Instituts die Helmut-Zahn-Bibliothek sowie das Zentrum für Chemische Polymertechnologie (CPT) eröffnet.
Seit 2014 ist das Institut auf Empfehlung des Wissenschaftsrats als erstes Aachener Institut Teil der Leibniz-Gemeinschaft und wurde in DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien umbenannt.[1]
Von 2019 bis Ende 2022 war der Chemiker Stefan Hecht wissenschaftlicher Direktor des Instituts.[3] Die aktuelle wissenschaftliche Leitung trägt Andreas Herrmann kommissarisch.
Forschung
Im Mittelpunkt der Forschung stehen interaktive Materialien, die ihre Eigenschaften dynamisch an äußere Bedingungen und Reize anpassen, ihre Form verändern oder selbstständig komplexe Funktionen ausführen können.
Die Forschung adressiert zentrale gesellschaftliche Herausforderungen und konzentriert sich insbesondere auf zwei Bereiche:
- Biomedizinische Materialien, etwa für die regenerative Medizin, biohybride Systeme oder Wirkstofffreisetzungssysteme (z. B. Hydrogele, die Wirkstoffe gezielt erst am Wirkort freisetzen)
- Nachhaltige Materialien, die i. d. R. auf funktionellen Bausteinen aus nachwachsenden Rohstoffen basieren, ohne die Leistungsfähigkeit der Endprodukte zu beeinträchtigen (z. B. umweltfreundliche Klebstoffe, biobasierte Flammschutzmittel sowie wetterbeständige Applikationstechnologien für den Pflanzenschutz)
Die wissenschaftlichen Arbeiten sind stark interdisziplinär angelegt und verbinden Konzepte aus Chemie, Physik, Biotechnologie und Ingenieurwissenschaften. Insgesamt sind am DWI fünf Professuren und drei unabhängige Forschungsgruppen angesiedelt, die sich unterschiedlichen Schwerpunktsthemen widmen.[4][1]
Makromolekulare Materialien und Systeme
Die Forschungsgruppe arbeitet an der Schnittstelle von synthetischer Chemie und Molekularbiologie und entwickelt neue molekulare Technologien zur Herstellung biohybrider Strukturen. Schwerpunkte sind insbesondere Nukleinsäure-Polymer-Konjugate und supergeladene Polypeptide, die komplexe Funktionen auf verschiedenen Längenskalen ermöglichen. Zudem erforscht die Gruppe Konzepte der Sonopharmakologie, bei denen Ultraschall zur gezielten Aktivierung von Wirkstoffen eingesetzt wird.[5][6] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Andreas Hermann.[7]
Hochleistungsmaterialien für die Biomedizin
Die Arbeitsgruppe entwickelt Biomaterialien mit definierten und dynamischen biochemischen, mechanischen und strukturellen Eigenschaften, um die Komplexität und Dynamik der nativen Zellumgebung nachzubilden und funktionelle Gewebe zu züchten. Die Materialien werden für die regenerative Medizin in vivo, das Bioprinting ex vivo und automatisierte Hochdurchsatz-Testplattformen für gesunde und kranke Zell- und Gewebemodelle in vitro eingesetzt.[8][9] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Laura De Laporte.[10]
Chemische Produkt- & Prozessverfahrenstechnik
Die Arbeitsgruppe erforscht Systeme, in denen selektiver Stofftransport, molekularspezifische Konversion und Ladungstransport über maßgeschneiderte Grenzflächen integriert werden. Ziel ist die Entwicklung bioinspirierter, interaktiver Materialsysteme sowie die Analyse ihrer Struktur-Funktions-Beziehungen. Anwendungen liegen unter anderem in der Energiespeicherung, Wasseraufbereitung und Medizintechnik.[11][12] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Matthias Wessling.[13]
Funktionale und Interaktive Polymere
Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Synthese funktioneller wasserlöslicher und amphiphiler Polymere sowie Polymerkolloide mit kontrollierter Struktur, Architektur und Morphologie. Ein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung reaktiver Polymere, responsiver Nanogele und biohybrider Partikel mithilfe verschiedener Polymerisations- und mikrofluidischer Verfahren. Anwendungen finden sich unter anderem in adaptiven und nachhaltigen Katalysatoren, bio-basierten Flammschutzmitteln, Trägersystemen und bioaktiven Beschichtungen.[14][15] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Andrij Pich.[16]
Theory of Active Soft Matter
Die Arbeitsgruppe forscht im Bereich der theoretischen Physik aktiver weicher Materialien und untersucht deren grundlegende Eigenschaften sowie Anwendungen. Im Fokus stehen unter anderem durch Schall oder Licht angetriebene Mikroroboter, Akustofluidik und Mikrofluidik sowie programmierbare und intelligente Materialien. Methodisch arbeitet die Gruppe mit Modellierung, Computersimulationen und Softwareentwicklung; Anwendungen finden sich insbesondere in Medizin und Maschinenbau.[17][18] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Raphael Wittkowski.[19]
Unabhängige Forschungsgruppen
Surface and Energy Emergence of Soft and Biological Materials
Die Arbeitsgruppe erforscht die physikalischen Grundlagen weicher und biologischer Materie und untersucht, wie Oberflächen und Energielandschaften deren Struktur und Dynamik bestimmen. Methodisch kombiniert die Gruppe experimentelle Verfahren wie optische Fallen, Fluoreszenzmikroskopie, Kleinwinkel-Röntgenstreuung, Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und dynamische Lichtstreuung. Inhaltlich stehen insbesondere Phasenseparation als Designprinzip sowie selbstassemblierende Polymere und komplexe Netzwerke im Zentrum der Forschung.[20][21][22] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Dr. Charlotta Lorenz.[23]
Interface Chemistry & Functional Materials
Die Gruppe erforscht Elektronentransferreaktionen an Grenzflächen, um die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in kleinen Molekülen und funktionellen Polymeren gezielt zu steuern und für Anwendungen in nachhaltiger Chemie und Biomedizin zu nutzen. Methodisch setzt die Gruppe auf Plasma-Flüssigkeits-Technologien sowie Hochfrequenz-Ultraschall in Kombination mit piezoelektrischen Polymerbürsten. Ziel ist es, aktive Plasmaspezies zur Initiierung anspruchsvoller Reaktionen kleiner Moleküle zu nutzen und Polymerrecycling sowie -upcycling zu ermöglichen. Zudem wird eine universelle Plattform zur Freisetzung von Molekülen entwickelt, die auf dem piezoelektrischen Effekt von Polymerbürsten in Verbindung mit biomedizinischem Ultraschall basiert.[24][25] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Dr. Jian Wang.
Systems Materials
Die Forschungsgruppe arbeitet daran, lebensähnliche und energieautonome Systeme aus weicher Materie in einem Bottom-up-Ansatz zu entwickeln. Die Schlüsselphilosophie ihrer Forschung besteht darin, dass autonome lebensähnliche Materialfunktionen (z. B. Anpassung, Homöostase, Selbsterhaltung, Evolution, dynamische Selbstorganisation, Signalgebung) auf konstanten internen Energie- und Materieflüssen beruhen und von informationsverarbeitenden Prozessen koordiniert werden. Die von der Gruppe entwickelten weichen Materialsysteme mit minimalen Stoffwechselwegen werden aus einer ganzheitlichen Perspektive designt und daher auch Systemmaterialien genannt.[26][27] Die Leitung der Forschungsgruppe obligt Dr. Laura Heinen.
Struktur und Organisation
Das DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien e. V. ist als eingetragener Verein organisiert und wird im Rahmen der gemeinsamen Forschungsförderung von Bund und Ländern finanziert. Es ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft und unterliegt deren regelmäßigen wissenschaftlichen Evaluationen.[28]
Die wissenschaftliche Arbeit am Institut ist in mehrere Forschungsgruppen gegliedert, die thematisch unterschiedliche Aspekte interaktiver Materialien bearbeiten. Die wissenschaftliche Leitung besteht aus mehreren Professorinnen und Professoren, die zugleich an der RWTH Aachen tätig sind und dort entsprechende Lehrstühle vertreten. Durch diese personelle Verknüpfung ist das Institut eng in die universitäre Lehre eingebunden und beteiligt sich an der Ausbildung von Studierenden und Promovierenden in den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften, Biotechnologie, Physik und Verfahrenstechnik.[7][10][13][16][19]
Neben der wissenschaftlichen Leitung tragen unabhängige Forschungsgruppen zur Profilbildung des Instituts bei. Diese Gruppen bearbeiten eigene Forschungsthemen und sind in die interdisziplinären Forschungsaktivitäten des Instituts eingebunden.
Ein wesentliches Merkmal der Organisationsstruktur ist die enge Verzahnung von Grundlagenforschung und anwendungsorientierter Forschung. Dies zeigt sich unter anderem in der Zusammenarbeit mit externen Forschungseinrichtungen wie dem Forschungszentrum Jülich sowie mit diversen Industriepartnern. Ziel ist es, wissenschaftliche Erkenntnisse in praktische Anwendungen zu überführen, beispielsweise in den Bereichen Medizintechnik, nachhaltige Materialien und chemische Verfahrenstechnik.
Forschungsinfrastrukturen
Zur Forschungsinfrastruktur gehört das Zentrum für Chemische Polymer Technologie (CPT). Es bündelt und organisiert die analytische Expertise und Infrastruktur des Leibniz-Instituts und erweitert das am Institut zur Verfügung stehende Methodenspektrum kontinuierlich. Die Infrastruktur des CPT und die Expertise seiner Mitarbeiter stehen auch externen Kunden aus Wissenschaft und Wirtschaft zur Verfügung.[1]
Das DWI und die Uniklinik RWTH Aachen haben am 12. Januar 2024 ihre neue, gemeinsam betriebene Forschungsinfrastruktur offiziell eingeweiht: das Leibniz Joint Lab „first in Translation“ (fiT). Mit diesem Erweiterungsbau ist ein zukunftsweisendes Gebäude entstanden, das Patientinnen und Patienten schneller medizinische Innovationen zugänglich machen soll. Das fiT stellt auch externen Wissenschaftlern und Kunden translationale Forschungsexpertise zur Verfügung und verbindet Forscher, Expertern für klinische Studien und Ärzten an der Medizinischen Fakultät der RWTH, um den Weg in die ersten klinischen Studien am Menschen zu finden.[29]