Blickpunkt

Eine starke Industrie hat es Deutschland — anders als anderen Ländern, die auf einen Ausbau des Dienstleistungssektors gesetzt hatten, — ermöglicht, die Wirtschafts- und Finanzkrise vergleichsweise gut zu überstehen. Der Fortbestand und die Weiterentwicklung der deutschen Industrie sind ein nachhaltiges Ziel. Das gilt besonders für die Chemie als eine der wichtigsten Branchen in Deutschland, die am Anfang vieler Wertschöpfungsketten steht.


<h2>Ökonomisch im Verbund</h2>
Für die chemische Produktion setzt sich das Geschäftsmodell der Chemieparks mehr und mehr durch. Chemie- und Industrieparks verbinden Unternehmen mit gemeinsamen Strukturen. Dies bedeutet für die dort angesiedelten Unternehmen geringere Kosten im Vergleich zu singulären Standorten.
Ein Beispiel ist die Versorgung mit Energie aus einer Anlage mit Kraft-Wärme-Kopplung. Des Weiteren sind Produktions- und Stoffverbünde, eine logistische Zusammenarbeit oder Joint Ventures möglich.
Dienstleistungsangebote des Chemieparkbetreibers wie Entsorgung und Analytik sparen Kosten im Vergleich zu einer Ansiedlung auf der grünen Wiese.
Darüber hinaus kurbeln Chemieparks die regionale Entwicklung im Standortumfeld an und stärken die Kaufkraft in der Region.


<h2>Ökologisch seit jeher</h2>
Die Verbundstruktur ist ökologisch günstig. So bieten Chemieparks moderne Anlagen, beispielsweise zur Energieerzeugung oder Entsorgung. Die Strukturen und Abläufe sollen effizient sein, geringe Emissionen erzeugen, wenig Rohstoffe verbrauchen und ständig optimiert werden.
Das Klimaschutzprogramm des Betreibers Currenta beispielsweise senkte den in ihren Anlagen selbst erzeugten CO2-Ausstoß an den Chemparkstandorten Leverkusen, Dormagen und Krefeld-Uerdingen um 13 Prozent. Das sind 152 000 Tonnen pro Jahr und entspricht den Emissionen von etwa 50 000 Autos mit einer jährlichen Fahrleistung von 20 000 Kilometern.
 Bereits in den 1920er Jahren startete in Leverkusen nach Planungen von Carl Duisberg die zentralisierte Energieversorgung. Die ursprünglich jeweils vor Ort betriebenen 13 Kraftwerke wichen zentraleren Anlagen. Heute versorgt ein Kraftwerk alle Betriebe im Chempark.
Die Stoffverbünde in Chemieparks nutzen Abfallprodukte einer Produktionsanlage als Rohstoff für die Produktion in einer anderen Anlage vor Ort. Das spart Entsorgungs-, Logistik- und Rohstoffkosten.


<h2>Gesellschaftliche Verantwortung</h2>
An den etwa 60 deutschen Chemieparkstandorten arbeiten derzeit 240 000 Beschäftigte in 920 Unternehmen. Chemieparkbetreiber übernehmen gesellschaftliche Verantwortung als ausbildende Unternehmen — häufig auch für die Unternehmen am Standort. Hierbei sind Bildungsnetzwerke entstanden, die stetig ausgebaut werden. Chemieparks in Deutschland arbeiten sowohl mit nationalen und internationalen Hochschulen als auch mit Ausbildungseinrichtungen vor Ort zusammen.
Das Durchschnittsalter der Currenta-Mitarbeiter wird von 47 Jahren im Jahr 2009 auf 52 Jahre im Jahr 2020 steigen. 40 Prozent der Mitarbeiter werden dann älter sein als 55 Jahre. Das erfordert eine Anpassung bestehender Strukturen, beispielsweise die Entwicklung neuer Arbeitsmodelle. Auch der demografische Wandel erfordert Programme, an denen Currenta arbeitet. So sollen beispielsweise die Förderung und Erhalt der Leistungsfähigkeit und die altersgerechte Anpassung von Arbeitsanforderungen der Mitarbeiter unterstützt werden.
So sind Chemieparks Treiber einer nachhaltigen Entwicklung in Ökonomie, Ökologie und gesellschaftlicher Entwicklung.
Günter Hilken ist promovierter Chemiker und Vorsitzender der Geschäftsführung von Currenta in Leverkusen. Während der Euroforum-Jahrestagung Chemie- und Industrieparks sprach er über Chemieparks als Modell für die nachhaltige Entwicklung der Chemieindustrie. <a href="mailto:guenter.hilken@currenta.de">guenter.hilken@currenta.de</a>


<h2>Nachmeldung möglich?</h2>
Frage 62: Ich habe als freier Mitarbeiter eines mittelständischen Unternehmens mitgeholfen, eine Idee des Firmeninhabers zu verwirklichen: In Zusammenarbeit mit einem Lohnhersteller habe ich ein neues Produkt entwickelt, das nun in großem Maßstab vertrieben wird. Dieses Produkt ist inzwischen auch durch ein Patent geschützt. Dabei musste ich allerdings feststellen, dass ich auf dem Patent nicht als Erfinder genannt bin, sondern nur der Firmeninhaber. Meine Rückfragen wurden bislang nicht beantwortet. Habe ich ein Recht, als Erfinder nachgemeldet zu werden?
Antwort:
Wenn Sie Erfinder sind, dann haben Sie auch das Recht, als Erfinder genannt zu werden. Hierzu wäre allerdings zunächst zu prüfen, ob Sie einen erfinderischen Beitrag geleistet haben. Ich will Ihnen nicht zu nahe treten, aber grundsätzlich besteht natürlich die Möglichkeit, dass Sie lediglich die Vorgaben des Firmeninhabers mithilfe Ihres allgemeinen Fachwissens umgesetzt haben, ohne dabei selbst erfinderisch tätig zu sein. Sollten Sie allerdings einen erfinderischen Beitrag geleistet haben, dann hätten Sie möglicherweise noch deutlich mehr Rechte als das Recht, auf dem Patent genannt zu werden. Sie geben an, freier Mitarbeiter gewesen zu sein. Dies wäre zunächst zu prüfen, denn nach der Rechtsprechung kommt es nicht auf die Bezeichnung im Vertrag an, sondern auf die tatsächlichen Umstände. Wenn Sie tatsächlich freier Mitarbeiter waren, dann wäre eine im Rahmen dieses Arbeitsverhältnisses gemachte Erfindung nicht “automatisch” per gesetzlicher Fiktion auf das Unternehmen übergegangen.
Für den Übergang der Erfinderrechte wäre eine gesonderte vertragliche Regelung nötig. Dies kann — anders als bei regulären Arbeitnehmern — durch eine Klausel im Dienstvertrag oder separat erfolgt sein. Sollte hierzu keine vertragliche Regelung bestehen und Sie alleiniger Erfinder des Patents sein, dann würde Ihnen das Patent auch gehören. Das Unternehmen hätte dann ein Patent angemeldet, ohne dazu berechtigt gewesen zu sein.
Diese Situation hätte zur Folge, dass Sie Ihr Patent einfordern und sogar dem Unternehmen verbieten könnten, das von Ihnen entwickelte Produkt zu verkaufen. Natürlich könnten Sie auch eine Lizenz zu angemessenen Bedingungen vergeben — an das Unternehmen oder einen Wettbewerber.
Ihre Rechte müssten Sie schlimmstenfalls mithilfe des zuständigen Landgerichts geltend machen. Vielleicht hilft aber auch bereits ein freundliches Schreiben an das Unternehmen mit der kurzen Schilderung des Sachverhalts und der Bitte um Prüfung durch den Patentanwalt des Unternehmens. Dieser sollte die möglichen Konsequenzen des Falles kennen und dem Firmeninhaber einen Rat geben, beispielsweise einen Vertrag zwischen Unternehmen und Ihnen abzuschließen, der die Erfinderrechte auf das Unternehmen gegen eine angemessene Zahlung überleitet. Es gibt sogar Fälle, bei denen Mittelständler auf den Rat ihres Patentanwalts gehört haben.

Artikel

Chemiepark als Modell

Eine starke Industrie hat es Deutschland — anders als anderen Ländern, die auf einen Ausbau des Dienstleistungssektors gesetzt hatten, — ermöglicht, die Wirtschafts- und Finanzkrise vergleichsweise gut zu überstehen. Der Fortbestand und die Weiterentwicklung der deutschen Industrie sind ein nachh...

Prof.Dr.

In der Analytik weicher Materie haben sich Methoden der Rasterkraftmikroskopie (RKM, atomic force microscopy, AFM) etabliert, und das nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch in der Analytik von Produkten und deren Vorstufen, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie,1,2 in der Kosmetikindustrie3 und in der organischen Elektronik.4 Neben der Hauptanwendung der RKM, der topografischen Untersuchung von Oberflächen, eignet sich die Methode dazu, die Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen zu studieren.5,6 Des Weiteren kann man den Federbalken direkt als Sensor in der Analytik einsetzen.


<h2>Mikroskopie</h2>
Im Kontaktmodus des Rasterkraftmikroskops (Abbildung 1) befindet sich die Spitze in permanentem Kontakt mit der Probenoberfläche und zerkratzt daher weiche Proben oft. Daher verwendet man zur Abbildung von weichen Oberflächen, beispielsweise von Polymeren, einen Modus, in dem die Spitze die Oberfläche nur periodisch für eine kurze Zeit berührt. In diesem Modus versetzt ein piezoelektrischer Aktuator die Feder in resonante Schwingungen. Bringt man nun die schwingende Spitze näher an die Probenoberfläche, so verändern die Kräfte zwischen Probe und Spitze die Resonanzfrequenz der Feder. Während des Rastervorgangs hält ein Regelkreis diese Verstimmung konstant, indem er den Abstand zwischen Spitze und Probe variiert. Das Signal des Regelkreises wird dann als Topografieinformation verwendet. An Luft erreicht das Verfahren eine typische laterale Auflösung von 3 bis 4 nm und eine vertikale Auflösung von besser als 0,2 nm.
Ein limitierender Faktor bei diesen Umgebungsbedingungen ist allerdings die Verschmutzung der Oberflächen durch Wasser und Kohlenwasserstoffe; sie bestimmt aufgrund von Kapillarkräften die minimale Kraft zwischen Spitze und Probe.8 Nun kommt ein wesentlicher Vorteil der RKM zum Tragen: Sie lässt sich praktisch ohne Einschränkungen in Flüssigkeiten durchführen. Damit sind auch biologische Proben für die Methode zugänglich, da sie in ihrer natürlichen Umgebung untersucht werden können.9
Ein Beispiel ist die Bildung von Aggregaten, die bei der Hybridisierung von DNA-Blockcopolymeren entstehen. Verwendet man als Polymer das hydrophobe Polypropylenoxid (PPO), bilden sich in wässriger Umgebung sphärische Mizellen mit der DNA als Korona.10 Allerdings können die DNA-Stränge auch mit einem längerkettigen DNA-Templat hybridisiert werden, das fünf Mal die komplementäre Sequenz aufweist (Abbildung 2 a, b). Die Produkte sind dann relativ steif und bilden aufgrund der hydrophoben Wechselwirkung zwischen den PPO-Einheiten Aggregate. (Abbildung 2c). Diese konnten dann mit RKM auf Glimmer in einer Pufferlösung abgebildet werden (Abbildung 2d).
Ein weiterer Vorteil der RKM-Methode besteht darin, dass die Proben nicht speziell aufbereitet werden müssen. Zudem lassen sich neben der Topografie weitere Eigenschaften der Proben lokal messen, zum Beispiel elektrische Eigenschaften. Hierzu wird zwischen Spitze und Probe eine elektrische Spannung angelegt und der Stromfluss durch die Spitze gemessen. Wird die Spitze über die Probe gerastert, erhält man eine Information über die Stromstärke an der jeweiligen Probenstelle. Diese Methode nennt man Leitfähigkeits-RKM (conductive SFM, cSFM), wobei die Ströme typischerweise im nA-Bereich liegen. Diese Methode erlaubt es, zum Beispiel Poly-3,4-Ethylendioxy-Thiophen und Poysulfonsäure (Pedot:PSS) zu untersuchen.11 
Allerdings wird cSFM häufig im Kontaktmodus durchgeführt; gerade bei weichen Proben führt dies oft zu Abrieb und damit zur Zerstörung der Probenoberfläche. Eine Alternative wäre der periodische Kontaktmodus, wie oben beschrieben, aber die Kontaktzeiten sind so kurz, dass die geringen Ströme nicht mehr zu detektieren sind. Um diese Einschränkung zu umgehen, kann man den Federbalken in Torsionsschwingungen versetzen. Bei Annäherung an die Probenoberfläche wird die Amplitude der Torsionsschwingung gedämpft. Ein Regelkreis regelt dann den Abstand zwischen Spitze und Probe so, dass die Amplitude der Torsionsschwingung konstant bleibt. In diesem Fall befindet sich die Spitze in einem konstanten Abstand zur Probenoberfläche, und gleichzeitig bleiben weiche Polymerstrukturen erhalten. Dieser Modus wurde zum Beispiel verwendet, um die Stromleitung durch vertikal stehende Nanostäbe zu messen (Abbildung 2e).12 Die Polytriphenylamin-Nanostäbe wurden mit einem Templatverfahren13 erzeugt und eignen sich auch für organische Solarzellen.


<h2>Einzelmolekülspektroskopie</h2>
Um Bindungskräfte in und zwischen Molekülen zu untersuchen, ist die Abbildung und somit die laterale Bewegung der Spitze relativ zur Probe nicht erforderlich. Zur Spektroskopie wird die Spitze gezielt mit einem Liganden und die Probenoberfläche mit einem Rezeptor funktionalisiert. Bringt man nun die Spitze in die Nähe der Probenoberfläche, so können Ligand und Rezeptor eine oder mehrere Bindungen miteinander eingehen. Werden nun die Spitze und die Porbenoberfläche getrennt, so induziert dies eine externe Zugspannung, die bei Überschreiten eines Grenzwerts die Bindungen zerreißt (Abbildung 3, S. 756).
Für eine DNA-Doppelhelix mit zirka 30 Basenpaaren liegt die Zerreißkraft zur Separierung in Einzelstränge im zweistelligen pN-Bereich (Abbildung 4a, S. 647). Jedoch ist die Zerreißkraft abhängig von der Zugrate, mit der Ligand und Rezeptor separiert werden. Wenn die Bindung kooperativ über eine einzelne Energiebarriere bricht, dann kann das Bell-Evens-Modell herangezogen werden, um die wahrscheinlichste Zerreißkraft F zu analysieren:14
Hierbei ist kB die Boltzmann-Konstante, T ist die Temperatur, x0 ist eine charakteristische Länge des Systems, die den Unterschied zwischen dem Energieminimum und dem Übergangszustand entlang der Reaktionskoordinate beschreibt, τ ist die thermische Lebensdauer der Bindung, und Keff ist die effektive Federkonstante des Systems, die sich aus der mechanischen Feder und dem eingespannten Molekül zusammensetzt.
Mit diesem Modell kann man aus der Auftragung der wahrscheinlichsten Zerreißkraft in Abhängigkeit von der Zuggeschwindigkeit v die charakteristische Länge x0 und die thermische Lebensdauer τ des Komplexes bestimmen. Beispielsweise ergibt sich für eine Doppelhelix aus zehn Basenpaaren eine Lebensdauer von 121 Sekunden15 (Abbildung 4b). Des Weiteren steigt die charakteristische Länge des Systems linear mit der Anzahl der Basenpaare, während die Lebensdauer exponentiell ansteigt.
Die experimentell bestätigte Gültigkeit der Bell-Evans-Gleichung für DNA ist auch ein Hinweis darauf, dass doppelsträngige DNA in einem kooperativen Prozess dissoziiert.
Heutzutage dient Einzelmolekülspektroskopie auf RKM-Basis hauptsächlich dazu, funktionelle biologische Makromoleküle zu untersuchen. Neben der Messung von Zerreißkräften hat sich diese Methode bei der Spektroskopie der Energielandschaft von Faltungs- und Entfaltungsstufen einzelner Proteine16 und Nukleinsäuren5 etabliert.


<h2>Nanomechanische Federbalkensensoren</h2>
Rasterkraftmikroskopie kann ganz ohne Spitze und ohne vertikale Bewegung der Feder als Federbalkensensor in der Analytik dienen.17 Dabei ist dann auch die Anordnung und das Auslesen von mehreren Federbalken gleichzeitig möglich.18 So dient der Federbalken beispielsweise als Probenträger und arbeitet wie eine Mikrowaage,19 wenn die Feder in Schwingungen versetzt und die Verschiebung ihrer Resonanzfrequenz gemessen wird. Da die Federn sehr klein sind, können Probenmengen von weniger als 1 ng untersucht werden. Im einfachsten Fall ist die Verschiebung der Resonanzfrequenzverschiebung direkt proportional zur Masseänderung. Mit kommerziellen Federbalken ist eine Masseauflösung von etwa 35 pg möglich.
Kombiniert man die Federbalken-Waage mit einer Heizung,20 so lassen sich kleine Probenmengen thermogravimetrisch untersuchen.21,22 Da die thermische Abklingkonstante von Federbalkensensoren nur wenige Millisekunden beträgt, lassen sich sehr hohe Heizraten von bis zu 105 K·s−1realisieren.
Grundsätzlich zeigen Polymere frequenz- und temperaturabhängige mechanische Eigenschaften. Heizt man Polymerproben auf dem Federbalken hoch, so lassen sich diese Temperatur- und Frequenzabhängigkeiten messen. Insbesondere erhält man so auch die Glasübergangstemperatur.23—25 Kürzlich haben Jeon und Koautoren Phasenübergänge in Alkanen mit Federbalkensensoren nachgewiesen, die mit etablierten Methoden (zum Beispiel dynamische mechanische Analyse) nicht offensichtlich waren.26
Mit bimetallischen Federbalken kann man über die Verbiegung die Temperatur von Proben bestimmen, was kalorimetrische Messungen ermöglicht.27—29 Dabei wurden Enthalpie-Änderungen im nJ-Bereich mit einer Zeitauflösung von Millisekunden gemessen.
Des Weiteren können polymerbeschichtete Federbalken als pH-Wert-30 oder als Alkohol-Sensoren dienen.31 Diese Anwendungen nutzen das Quellverhalten des Polymers, das den Federbalken je nach Alkoholgehalt bzw. pH-Wert verbiegt. Um zu verhindern, dass das Lösungsmittel die Polymerbeschichtung abwäscht, wurden Polymere auf die Oberfläche des Federbalkens gepfropft und anschließend das Quellverhalten in unterschiedlichen Lösungsmitteln untersucht.32 So lassen sich reversibles und irreversibles Quellverhalten von Polymerbürsten studieren.33—35 Durch Beschichtung mit unterschiedlichen Polymeren erhält man winzige chemische Nasen.36


<h2>Zusammenfassung</h2>
Die Stärken der Rasterkraftmethoden liegen darin, dass sie in nahezu allen Umgebungen einsetzbar sind und nur kleine Substanzmengen zur Analyse erfordern. Ein Nachteil ist, dass sie oft keinen direkten, lokalen Nachweis eines bestimmten chemischen Elements, Moleküls oder einer Verbindung liefern. Daher wird derzeit verstärkt versucht, die RKM mit komplementären Methoden zu ergänzen. Erwähnenswert ist hierbei die Kombination mit optischen Spektroskopieverfahren wie der Ramanspektroskopie37 oder der Infrarotspektroskopie.38 Auch werden weitere Funktionen in den Federbalken integriert, zum Beispiel eine Heizung der Spitze.20 Damit lassen sich dann lokale thermische Eigenschaften in Probenoberflächen lateral aufgelöst untersuchen.
Rüdiger Berger ist Projektleiter am Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz. Er betreut dort die Rastersondenmikroskopie zur Untersuchung weicher Materie. Zudem entwickelt er die Federbalkensensor-Methode für die Charakterisierung kleiner Materialmengen weiter. <a href="mailto:berger@mpip-mainz.mpg.de">berger@mpip-mainz.mpg.de</a> Jochen Gutmann ist Professor für physikalische Chemie an der Universität Duisburg-Essen und Direktor des Deutschen Textilforschungszentrums Nord-West. Sein Interesse gilt der Funktionalisierung von Oberflächen, vor allem der Beschichtung mit Sol-Gel-Systemen und Polymeren sowie der Anbindung von Katalysatoren. <a href="mailto:jochen.gutmann@uni-due.de">jochen.gutmann@uni-due.de</a> Rolf Schäfer ist Professor für Physikalische Chemie an der Technischen Universität Darmstadt. Er befasst sich vor allem mit kleinen anorganischen CLustern, die sowohl isoliert in der Gasphase als auch geträgert auf Oberflächen untersucht werden. Dabei stehen Molekularstrahl- und Oberflächenmethoden im Vordergrund, um die magnetischen, optischen, katalytischen und thermischen Eigenschaften der Cluster abhängig von ihrer Größe und Zusammensetzung besser zu verstehen. <a href="mailto:schaefer@cluster.pc.chemie.tu-darmstadt.de">schaefer@cluster.pc.chemie.tu-darmstadt.de</a>


<h2>QUERGELESEN</h2>
Rasterkraftmethoden können zusätzlich zur Oberflächentopografie von weicher Materie Informationen über Wechselwirkungen und chemische Bindungen liefern.
Zudem sind thermogravimetrische und kalorimetrische Messungen möglich, und entsprechende Polymerbeschichtungen machen aus dem Federbalken einen chemischen Sensor.
Vorteil der Rasterkraftmethoden ist, dass sie auch in Flüssigkeiten funktionieren und daher biologische Proben in ihrer natürlichen Umgebung vermessen können, und zwar ohne größere Probenvorbereitung.



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