Nanowissenschaft und supramolekulare Chemie
Klajn Group
Supramolekulare Chemie
Wir untersuchen verschiedene Aspekte der supramolekularen Chemie, darunter die supramolekulare Selbstorganisation, die Auswirkungen der Begrenzung der chemischen Reaktivität und die Entwicklung neuer stimuli-responsiver Materialien.
Team
Offene Stellen
Es sind mehrere Doktorand:innen- und Postdoktorand:innenstellen verfügbar!
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Laufende Projekte
Chemie auf engstem Raum:
Die Natur inspiriert Chemiker:innen dazu, Strategien zu entwickeln um kurzlebige chemische Verbindungen zu stabilisieren, chemische Reaktionen mit noch nie dagewesenen Raten und Selektivitäten durchzuführen sowie komplexe Moleküle und herausragende anorganische Nanostrukturen zu synthetisieren. Was natürliche Systeme konsequent ausnutzen – und was sich doch grundlegend von der Art und Weise unterscheidet, wie Chemiker:innen Reaktionen durchführen – ist die Begrenzung im Nanobereich. In unserer Forschung konzentrieren wir uns darauf, das Verhaltens chemischer Spezies in verschiedenen Arten von nanoskaligen Umgebungen zu untersuchen, darunter Oberflächen von kolloidalen Nanopartikeln, Hohlräume in Koordinationskäfigen und Nanoporen in porösen Materialien (wie porösen aromatischen Gerüsten). Wir entwickeln zudem neuartige Familien synthetischer Materialien mit eingeschränkten Räumen. Beispiele sind reversibel selbstorganisierende kolloidale Kristalle („dynamic nanoflasks“), schalenförmige metallische Nanopartikel und nicht dicht gepackte Nanopartikel-Übergitter. Diese Ziele sind zwar in erster Linie grundlegender Natur, können aber auch eine Reihe von Anwendungen nach sich ziehen. Unsere Forschungsvorhaben sind so vielfältig wie die Herstellung einer neuen Familie von inversen Opalen, die Untersuchung der Proteinfaltung in „künstlichen Chaperonen“ und die Steuerung von Polymerisationsreaktionen in Abhängigkeit von der Größe und Form des „nanoflask“. Wir glauben, dass das Studium der Chemie unter Nanobedingungen das Potenzial hat, uns neue Wege zur Durchführung chemischer Reaktionen zu zeigen und den Weg zur Entdeckung neuer Phänomene und einzigartiger Strukturen zu ebnen.
Selbstorganisation von Nanopartikeln:
Anorganische Nanopartikel (d. h. Partikel im Größenbereich von 1-100 nm) weisen eine breite Palette faszinierender physikalisch-chemischer Eigenschaften auf, darunter Lichtumwandlung, Superparamagnetismus und lokalisierte Plasmonenresonanz (die die weinrote Farbe kolloidaler Suspensionen von Goldnanopartikeln hervorruft). Die Entwicklung funktioneller Materialien aus anorganischen Nanopartikeln erfordert jedoch eine präzise Kontrolle über die Selbstorganisation einzelner Nanopartikel zu höher geordneten Strukturen. Wir untersuchen daher, wie Nanopartikel miteinander interagieren und wie wir diese Informationen letztlich nutzen können, um komplexe Nanomaterialien mit Effizienz und Präzision zu erzeugen. Durch die Kombination von Kurz- und Langstreckenkräften verschiedener Symmetrien können wir beispielsweise einfache kubische Nanopartikel zu komplexen doppelhelikalen Überstrukturen zusammensetzen. Parallel dazu sind wir auch daran interessiert, kontrollierte chemische Umwandlungen von Nanopartikelanordnungen als konzeptionell neue Strategie zur Entwicklung neuartiger funktioneller Nanomaterialien zu nutzen.
Auf Stimuli reagierende Materialien:
Lebende Organismen sind hochentwickelte selbstorganisierte Strukturen, die weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht existieren und funktionieren. Diese Systeme bleiben in hochgradig organisierten Zuständen (mit geringer Entropie) stabil, weil sie ständig Energie verbrauchen, die in „chemischen Brennstoffen“ gespeichert ist und schließlich in energiearme Abfälle umgewandelt wird. Diese so genannte dissipative Selbstorganisation ist in der Natur allgegenwärtig, wo sie zu komplexen Strukturen und Eigenschaften wie Selbstheilung, Homöostase und Tarnung führt. In krassem Gegensatz dazu sind fast alle vom Menschen hergestellten Materialien statisch: Sie sind so konzipiert, dass sie einen bestimmten Zweck erfüllen und nicht in Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. In unserer Forschung entwickeln wir Konstruktionsprinzipien für Systeme, die zu einer reversiblen, dynamischen und dissipativen Selbstorganisation fähig sind. Wir verwenden neuartige, unkonventionelle Ansätze, die auf der Integration organischer und nanopartikulärer Bausteine in hybride Strukturen beruhen, die so programmiert werden können, dass sie sich selbst zu größeren Strukturen und schließlich zu Materialien zusammenfügen. Materialien, die aus Nanopartikeln zusammengesetzt sind, weisen oft andere Eigenschaften auf als einzelne Bausteine; so wurden beispielsweise optische, magnetische, elektronische und katalytische Eigenschaften durch die Einstellung des Abstands zwischen den Partikeln manipuliert. Ein programmierbarer Auf- und Abbau einzelner Nanopartikel auf reversible Weise könnte daher zu dynamisch abstimmbaren Materialien führen. Wir sind besonders an der Entwicklung von Nanopartikeln interessiert, die sich als Reaktion auf externe Stimuli wie Licht, Magnetfelder und chemische Brennstoffe zusammensetzen. Unsere Bemühungen könnten zu neuen Klassen „angetriebener“ Materialien mit Eigenschaften wie abstimmbaren Lebensdauern, zeitabhängiger Katalyse und dynamischem Bausteinaustausch führen. Wir hoffen, dass diese Bemühungen die Entwicklung neuer Materialien ermöglichen werden, die in Bezug auf Komplexität und Funktionalität mit den in der Natur vorkommenden Materialien konkurrieren können.
Karriere
seit 2023 Professor, Institute of Science and Technology Austria (ISTA)
2021–2023 Professor, Weizmann Institute of Science
2016–2020 Associate Professor, Weizmann Institute of Science
2009–2015 Assistant Professor (tenure-track), Weizmann Institute of Science
2004–2009 PhD studies, Northwestern University
2001–2004 BSc & MSc studies, University of Warsaw
Ausgewählte Auszeichnungen
2024 Chair, Gordon Research Conference (GRC) Systems Chemistry
2023 Chair, Gordon Research Conference (GRC) Self-Assembly & Supramolecular Chemistry
2021 Blavatnik Award for Young Scientists in Israel
2019 Sigma-Aldrich Lectureship in Materials Science
2019 New Horizons Solvay Lectureship in Chemistry
2019 Award for Research Cooperation and High Excellence in Science (ARCHES)
2018 Cram-Lehn-Pedersen Prize in Supramolecular Chemistry
2018 European Research Council (ERC) Consolidator Grant
2017 Chemical Society Reviews Emerging Investigator Lectureship
2017 Distinguished Lectureship Award in Photochemistry (Chemical Society of Japan)
2016 Netherlands Scholar Award for Supramolecular Chemistry
2015 Israel Chemical Society Prize for Outstanding Young Scientists
2015 Liebig Lectureship (German Chemical Society)
2015 Chair, Gordon Research Conference (GRC) Artificial Molecular Switches & Motors
2013 European Research Council (ERC) Starting Grant
2013 Victor K. LaMer Award (American Chemical Society)
2010 IUPAC Prize for Young Chemists
