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Seit dem Jahr 1998 legt das Centrum für Hochschulentwicklung (CHE) eine Rankingliste deutscher und (einiger) ausländischer Universitäten vor, die in der Öffentlichkeit nicht zuletzt deshalb sehr stark wahrgenommen wird, weil die Wochenzeitung Die Zeit sie in Form eines Studienführers veröffentlicht. Das CHE-Ranking, das sich gegenüber allen in Deutschland durchgeführten Rankings durchgesetzt hat, ruft überdies in Ministerien und Hochschulverwaltungen beträchtliche Aufmerksamkeit hervor, weil mit ihm angeblich die “starken” und die “schwachen” Fächer einer Hochschule zu erkennen sind. Die CHE-Rankings sind Gegenstand der Berichterstattung und werden von hoch gerankten Fachbereichen für ihre PR-Arbeit benutzt. Damit gehen die Resultate dieser Evaluation auch in die Hochschulpolitik ein, was unter anderem bei der Verteilung von Mitteln und Stellen eine Rolle spielen kann.
Ich bin der Überzeugung, dass das CHE-Ranking dem Fach Chemie eher schadet als nützt — sowohl den zukünftigen Studenten als auch den chemischen Fachbereichen. Meine Zweifel beginnen mit der Datenermittlung, auf der das Ranking beruht. Befragt wurden insgesamt 63 vorwiegend deutsche Fachbereiche, von denen 60 geantwortet haben. Die Antworten stammen von 13 576 Chemiestudenten der Fachsemester 3 bis 7. Diese zunächst eindrucksvoll klingende Zahl wird dadurch stark relativiert, dass nur 15 Prozent der Studierenden die Fragebögen überhaupt beantwortet haben. Zusätzlich gibt es eine Professorenbefragung, bei der von 902 angeschriebenen Hochschullehrern immerhin 46 Prozent geantwortet haben. Die Rücklaufzahlen unterscheiden sich drastisch und liegen zumeist zwischen 20 und 40. Da insgesamt fünf Semester erfasst wurden, haben sich durchschnittlich 6 bis 8 Studierende pro Fachsemester beteiligt.
Die Deutsche Gesellschaft für Soziologie hat jüngst eine Beurteilung des CHE-Rankings (<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.soziologie.de/che" target="_blank">www.soziologie.de/che</a></ext-link>) für ihr Fach vorgelegt und kommt zu dem Schluss, dass das CHE-Ranking gravierende methodische und empirische Mängel aufweist.
Abgefragt werden in der Chemie Daten zu insgesamt 20 Kriterien, die von Auslandsaufenthalten der Studierenden der jeweiligen Hochschule über die Betreuung und die Ausstattung der Bibliothek, die Qualität der Labore, hin zur Studierbarkeit des Faches, Wissenschafts- und Berufsbezug reichen. Dass ein Student im 3. oder 4. Semester den Berufsbezug seines Studiums erkennen kann, ist wenig wahrscheinlich. Bei der Frage nach der Laborausstattung dürfte es ähnlich sein, da ja in der Mehrzahl der Fälle das Anfängerpraktikum das bis dato einzige sein dürfte, das die jungen Studierenden kennen gelernt haben.
Aus diesen Kriterien werden dann fünf Kategorien herausdestilliert, die in der endgültigen Rankingliste der Zeit erscheinen. Für die Chemie sind diese Kriterien: Forschungsgelder, Zitationen, Praktikumsausstattung, Betreuung und Studiensituation insgesamt. Über all diese Kriterien kann man diskutieren, aber genau das erfolgt nicht. Ein Blick auf die Tabelle lehrt dann, dass Eindhoven bei allen fünf Kriterien Spitze ist, gefolgt von der LMU München, über Jena und Bayreuth bis zu Hamburg, das die rote Laterne erhält.
Für einen ratsuchenden Abiturienten bedeuten Kriterien wie Zitationen und Forschungsgelder nichts. Forschungsgelder haben mit der Qualität der Ausbildung wenig zu tun. Bleibt das Kriterium “Studiensituation insgesamt”. Hier gibt es sicher einige Orte, an denen man sich wohler fühlen kann als an anderen. Aber ist das so wichtig, dass man einige Orte abqualifiziert und andere überschwänglich lobt? Zukünftige Chemiestudierende können in Deutschland noch immer damit rechnen, unabhängig vom Ort in gut (im internationalen Vergleich: hervorragend) ausgestatteten Instituten von engagiertem Personal ausgebildet zu werden.
Wer sich ernsthaft mit einem Chemiestudium beschäftigt, findet heute über das Internet wertvollere und seriösere Informationen als im Ranking des CHE.


Henning Hopf, Jahrgang 1940, studierte Chemie in Göttingen und an der University of Wisconsin, Madison, wo er auch promovierte. Nach der Habilitation 1972 in Karlsruhe wurde er 1975 Professor in Würzburg und folgte 1978 dem Ruf auf einen Lehrstuhl für organische Chemie an der TU Braunschweig. Von 2004 bis 2006 war er GDCh-Präsident.
Die Rubrik “Pro und Contra” wird von der GDCh-Sektion Seniorexperten Chemie betreut. Jörn Müller koordiniert die Beiträge.

Artikel

“Das schadet der Chemie eher, als es nützt”

Seit dem Jahr 1998 legt das Centrum für Hochschulentwicklung (CHE) eine Rankingliste deutscher und (einiger) ausländischer Universitäten vor, die in der Öffentlichkeit nicht zuletzt deshalb sehr stark wahrgenommen wird, weil die Wochenzeitung Die Zeit sie in Form eines Studienführers veröffentlic...

Prof.Dr.

Festkörperchemiker stehen im Ruf, eine eigene Auffassung des Begriffs “erhöhte Temperatur” zu vertreten, da sie routinemäßig Reaktionen bei bis zu 1000 °C oder auch noch darüber durchführen. Somit wundert es nicht, dass viele Chemiker der anderen Fachbereiche an “Steine backen” denken, wenn sie sich die Synthesemethoden der Festkörperchemie vorstellen.
In den letzten Jahrzehnten hat sich jedoch das Methodenspektrum gravierend erweitert, wobei besonders Reaktionen bei niedriger Temperatur an Bedeutung gewannen.
Klassischerweise — und auch häufig in industriellen Prozessen — werden anorganische Feststoffe wie Keramiken oder Legierungen bei Temperaturen von bis zu 2000 °C über Stunden und Tage hergestellt. Die Suche nach neuen Materialien schränkt dies allerdings erheblich ein, da Hochtemperaturprozesse fast ausschließlich die bei hoher Temperatur thermodynamisch stabilen Phasen zugänglich machen. Während des Abkühlens entstehen oft unerwünschte Nebenphasen, die sich kaum abtrennen lassen. Nahezu unmöglich sind in der Regel Mikro- oder Nanostrukturierung sowie eine etwaige Steuerung der Morphologie. Dabei können gerade diese Aspekte entscheidend für die chemischen und physikalischen Eigenschaften einer Verbindung sein. Zudem sind kritische Fragen zur Energieeffizienz solcher Hochtemperaturmethoden berechtigt.
Auf der Suche nach Alternativen bei niedrigen Temperaturen wurde eine Reihe von Synthesemethoden entwickelt, wiederentdeckt oder aus anderen Bereichen der Chemie adaptiert.
Fällungsreaktionen, insbesondere aus wässriger Lösung, wendet die anorganische Chemie seit jeher an. Der Sol-Gel-Prozess ist lange bekannt und kombiniert Nieder- und Hochtemperatursynthesen, da zumeist ein Kalzinierungsschritt bei hoher Temperatur erforderlich ist. In den letzten Jahren ließ sich in einigen Fällen dieser Kalzinierungsschritt substituieren. So erhielten Badilescu et al. nanokristalline Dünnschichten von Anatas durch Kombination aus Tauchbeschichtung und Sol-Gel-Synthese:1 Ausgehend von organischen Präkursoren und Hilfsstoffen bildet sich ein TiO2-Sol, das auf ein Substrat aufgebracht wird. Der temperaturintensivste Aufarbeitungsschritt ist die anschließende Behandlung mit kochendem Wasser, sodass auch temperaturempfindliche Substrate verwendet werden können.


<h2>Solvens benötigt</h2>
Im Gegensatz zur klassischen Festkörperreaktion verbindet alle sanften Methoden der Einsatz eines Solvens, seien es Wasser bei Fällungsreaktionen, organische Lösungsmittel in Solvothermalsynthesen oder ionische Flüssigkeiten und niedrigschmelzende Salze als Flussmittel. Auch unkonventionelle Lösungsmittel wie flüssiger Ammoniak (T &lt; —33 °C) oder flüssiges Schwefeldioxid (T &lt; —10 °C) kommen zum Einsatz.
Gerade die ionischen Flüssigkeiten haben ein noch weitgehend unerforschtes Potenzial für die anorganische Material- und Festkörperchemie bei oder nahe der Raumtemperatur.
Ionische Flüssigkeiten bezeichnen Salzschmelzen, deren Schmelzpunkte unter 100 °C liegen.2 Vor allem in der organischen Synthesechemie und der Elektrochemie werden sie bereits vielfältig eingesetzt. Sie vereinen nützliche Eigenschaften von klassischen Salzschmelzen und molekularen Lösungsmitteln, denn sie zeichnen sich aus durch breite Flüssigkeitsbereiche, vernachlässigbare Dampfdrücke, große elektrochemische Spannungsfenster und somit durch beachtliche chemische Stabilität. Durch Kombination aus einer breiten Palette von Kationen und Anionen lassen sich ihre physikalischen (z. B. Leitfähigkeit, Diffusionsgeschwindigkeit) und chemischen Eigenschaften (z. B. Polarität, Azidität) gezielt beeinflussen.
In den letzten Jahren wurden auch anorganische und organisch-anorganische Hybridmaterialien, darunter metallorganische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs), in ionischen Flüssigkeiten hergestellt. Morris prägte für diese Synthesen — in Anlehnung an die solvothermalen Methoden — den Begriff “ionothermal”. Die hervorragenden Steuerungsmöglichkeiten in der Synthese bewies beispielsweise die Darstellung eines homochiralen MOFs aus achiralen Ausgangsstoffen in einer ionischen Flüssigkeit mit einem chiralen Anion — mit dem enantiomeren Anion kehrt sich die Chiralität des MOFs um.3
Lewis-saure ionische Flüssigkeiten eignen sich aufgrund ihrer Redoxstabilität zudem gut für die Synthese von niedervalenten Verbindungen. So ließen sich viele bekannte Cluster- und Polykationen-Verbindungen des Tellurs und Bismuts in einfachster Weise darstellen — bei deutlich niedrigeren Temperaturen (zum Teil bei Raumtemperatur) und viel schneller als in den zuvor bekannten Festkörperreaktionen, vor allem aber in guter Ausbeute und phasenreiner Form.
Darüber hinaus sind neue Verbindungen mit zum Teil ungewöhnlichen Eigenschaften zugänglich. So gelang unserer Arbeitsgruppe beispielsweise ein eindimensionaler Supraleiter auf Basis von partiell reduzierten, ekliptisch gestapelten Tellur-Vierringen. Die einstufige Reaktion erfolgt in ionischer Flüssigkeit bei Raumtemperatur direkt aus den Elementen und Elementhalogeniden. Sie ist nach wenigen Stunden abgeschlossen. Die bemerkenswerte elektrische Leitfähigkeit der Phase erreichen alternative Herstellungsmethoden über chemischen Gasphasentransport nicht.4
Die hervorragende Löslichkeit von metallreichen Spezies in ionischen Flüssigkeiten (Abbildung 1) ermöglicht es auch, Fragmente komplex strukturierter Feststoffe als Quelle für neue Verbindungen zu nutzen: Aus der Hochtemperaturverbindung Bi24Ru3Br20 wurde eine dreiundzwanzigatomige Einheit durch eine ionische Flüssigkeit mobilisiert und anschließend in modifizierter Form rekristallisiert. Perspektivisch lassen sich auf diesem Weg also Hochtemperatur-Strukturmotive mit temperaturlabilen Gruppen in neuen Verbindungen kombinieren.5 Sogar metastabile Elementmodifikationen werden zugänglich: Mit einer mild-oxidativen ionischen Flüssigkeit als Lösungsmittel und Reaktionspartner synthetisierten Grin et al. aus der Zintl-Phase Na4Ge9 ein neues Germaniumallotrop, eine ungefüllte Gerüstverbindung des Clathrat-II-Typs.6


<h2>Modifikation fester Stoffe</h2>
Sanfte Bedingungen eignen sich auch zur Modifikation fester Stoffe bei heterogenen Reaktionen. In solchen topochemischen Reaktionen bleiben die äußere Kristallgestalt sowie bestimmte Teilstrukturen des Ausgangsmaterials erhalten, während sich die chemische Zusammensetzung ändert.
Das Prinzip ist aus (De-)Interkalationsreaktionen bekannt und wird auch in der Natur in zum Teil viel radikalerer Form bei Pseudomorphosen praktiziert. Der besondere Reiz liegt darin, dass so metastabile Verbindungen synthetisierbar sind, die in Hochtemperaturprozessen unzugänglich bleiben. Zugleich ist die Struktur des neuen Materials — als Neuanordnung der verbliebenen Teilstrukturen — weitgehend vorhersagbar. So extrahierten wir aus Kristallen metallreicher Subiodide wie Bi28Ni25I5 oder Bi8Ni8SI2 durch sanfte Reduktion mit n-Butyllithium-Lösung die Iodidionen und erhielten die metastabilen intermetallischen Verbindungen Bi28Ni25 und Bi8Ni8S mit einzigartigen, komplexen Strukturen (Abbildung 2, S. 27).7 Auf gleichem Weg generierten wir aus Bi12Ni4I3 amorphe Bündel paralleler Bi3Ni-Nanofasern, die außergewöhnliche und von der kristallinen Volumenphase völlig verschiedene physikalische Eigenschaften besitzen, beispielsweise liegen hier Supraleitung und Ferromagnetismus nebeneinander vor.
Der Ausbau von Natrium- Kationen aus dem Supraleiter Na2Fe2Se2 — kürzlich vorgestellt von Johrendt et al. — verläuft ebenfalls in einer heterogenen Reaktion, jedoch unter oxidativen Bedingungen.8


<h2>Mikrowellenheizung</h2>
Polare Lösungsmittel oder ionische Flüssigkeiten erlauben neben niedrigeren Reaktionstemperaturen auch alternative Heizmethoden — insbesondere das Heizen mit Mikrowellen. Das konventionelle Erhitzen mit Ölbad, Heizhaube oder Ofen, bei dem sowohl Wärmeverlust an Grenzflächen als auch eine langsame Wärmediffusion stattfinden, erfordert häufig viel Energie und dauert lange. Hingegen ermöglicht Mikrowellenstrahlung eine direkte, schnelle und effektive Erwärmung. In Umkehrung des Temperaturgradienten bei der konventionellen Heizung erwärmt sich in der Mikrowelle das Medium homogen, während die Gefäßwandung der kühlste Ort im System bleibt (Abbildung 3).
In der organischen Chemie etablierte sich die kontrollierte Mikrowellenheizung in den letzten Jahrzehnten als nützliche Methode, um Synthesezeiten zu verringern und um Ausbeuten zu erhöhen.9 Mittlerweile hat sich auch in der anorganischen Chemie ein breites Anwendungsspektrum entwickelt. Hier waren die Synthesen von Metall-, Metalloxid-, Metallchalkogenid- und Metallphosphat-Nanopartikeln besonders erfolgreich.10
Für die mikrowellenunterstützte Herstellung metallischer Partikel eignet sich die Kombination mit dem Polyol-Prozess von Figlarz et al. Unter im Vergleich mit metallurgischen Prozessen sehr milden Bedingungen, nämlich bei Temperaturen von weniger als 300 °C, entstehen innerhalb weniger Minuten bis Stunden mikro-, submikro- und nanoskalige Partikel verschiedener Haupt- und Nebengruppenmetalle.11
Als Ausgangsverbindung dienen in dieser Methode Metallsalze, -hydroxide oder -oxide, die in einem Polyol (Mono-, Di- oder Tetraethylenglykol) gelöst oder suspendiert werden. Bei Erwärmung des Reaktionsgemischs dient das eingesetzte Polyol sowohl als Lösungs- als auch als Reduktionsmittel. Das Reduktionspotenzial des Polyols lässt sich über die Temperatur steuern, so dass mit steigender Temperatur auch unedlere Metalle reduziert werden. Da die gebildeten metallischen Kristallkeime gut an die Mikrowellenstrahlung ankoppeln — man denke an den Funkenschlag des Goldrands eines Tellers in der Haushaltsmikrowelle — kann man davon ausgehen, dass die Keime die heißesten Orte im Reaktionsgefäß sind (Abbildung 3). Dies sind exzellente Voraussetzungen für ein gutes Kristallwachstum. Zumeist weisen die metallischen Kristallpulver aus dem mikrowellenunterstützten Polyolprozess recht schmale Partikelgrößenverteilungen auf und bestehen aus unverwachsenen Einzelkristallen mit wohl ausgeformten Flächen. Mit intermetallischen Verbindungen gelingen phasenreine Synthesen thermodynamisch stabiler Phasen. Dass nicht aus einer Hochtemperaturschmelze kristallisiert wird, vermeidet elegant auch im Fall einer inkongruent schmelzenden Verbindung die üblicherweise auftretenden Nebenprodukte.
Das besondere Potenzial der Methode wurde zur Synthese von Verbindungen zwischen Bismut und Iridium genutzt. Diese sind bislang kaum untersucht, weil bei 2466 °C, dem Schmelzpunkt von Iridium, Bismut bereits gasförmig vorliegt (Siedepunkt: 1560 °C). Als zusätzliche Schwierigkeit für klassische Hochtemperatursynthesen kommt noch die niedrige Löslichkeit von nur 3 Atom-% Iridium in einer Bismutschmelze bei 1200 °C hinzu. In einem mikrowellengestützten Polyol-Prozess lassen sich dagegen Bi2Ir und Bi3Ir bei lediglich 240 °C innerhalb von 30 Minuten phasenrein darstellen.7a
Da intermetallische Phasen wirksame Katalysatoren sein können, ist die Feinteiligkeit der Produkte aus der Mikrowelle durchaus von Vorteil. So erwies sich auf diesem Weg synthetisiertes BiRh als überragender Katalysator für die Semihydrierung von Acetylen zu Ethylen. Ein Grund dafür liegt in der speziellen Morphologie der Kristallite.12


<h2>Ausblick</h2>
Die meisten der vorgestellten Methoden stehen noch am Anfang ihrer Nutzung. Die sanfte Festkörperchemie wird zur Entdeckung weiterer aufregender Verbindungen führen. Möglicherweise lassen sich hieraus auch Industrieprozesse ableiten, um durch geringeren Energie- und Zeitaufwand eine höhere Effizienz und Nachhaltigkeit zu erreichen.


<h2>QUERGELESEN</h2>
Mit modernen Niedertemperatursynthesen kann die Festkörperchemie bekannte oder auf klassischem Weg unerreichbare Materialien elegant darstellen.
Die geringen Synthesetemperaturen machen metastabile Verbindungen mit außergewöhnlichen Eigenschaften zugänglich.
Niedertemperatursynthesen sparen Energie und sind somit nachhaltiger.


Michael Ruck, Jahrgang 1963, ist Professor für anorganische Chemie an der TU Dresden. Seine Forschungsinteressen liegen in der Festkörperchemie, insbesondere bei niedervalenten Verbindungen, Clustern sowie ein- und zweidimensionalen Metallen. <a href="mailto:Michael.Ruck@chemie.tu-dresden.de">Michael.Ruck@chemie.tu-dresden.de</a>
Matthias F. Groh, Jahrgang 1988, promoviert seit 2011 nach Abschluss seines Chemiestudiums an der TU Dresden zur Synthese metallreicher Verbindungen in ionischen Flüssigkeiten.
Martin Heise, Jahrgang 1987, schloss das Studium der Chemie 2011 ab und arbeitet seitdem als Doktorand im Arbeitskreis von Michael Ruck zu mikrowellenunterstützten Synthesen intermetallischer Verbindungen.
Martin Kaiser, Jahrgang 1984, absolvierte das Chemiestudium an der TU Dresden von 2005 bis 2010 und promoviert derzeit mit der Niedertemperaturtrans-formation subvalenter Bismuthalogenide.



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