Molekulare Selbstorganisation besser verstehen: MIT und Universität Stuttgart forschen gemeinsam

Moleküle wechselwirken ständig miteinander und können sich dadurch eigenständig zu geordneten Strukturen anordnen. „Zum Beispiel zu Schlagsahne“, sagt Professor Thomas Speck, Leiter des Instituts für Theoretische Physik IV. „Beim Schlagen von Sahne bilden sich Luftblasen. Durch molekulare Selbstorganisation bilden Fett- und Eiweißmoleküle ein Netzwerk um diese Luftblasen. Eine Schaumstruktur entsteht.“ Schlagsahne sei natürlich nur eines von unzähligen Beispielen, so Speck. „Molekulare Selbstorganisation ist eines der grundlegenden Ordnungsprinzipien der Natur und steckt auch hinter hochkomplexen Strukturen wie dem menschlichen Körper.“

„Je besser wir molekulare Selbstorganisation verstehen, desto eher kann es eines Tages gelingen, den Prozess aktiv zu steuern und für die Entwicklung neuer Technologien zu nutzen“, so Speck. Verantwortlich für molekulare Selbstorganisation sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Molekülen. Viele offene Fragen gibt es jedoch noch dazu, was den Prozess auslöst und wie er im Detail funktioniert.

Hier setzt ein Gemeinschaftsprojekt des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Stuttgart an. Seit Mai 2025 forscht das Institut für Theoretische Physik IV gemeinsam mit Chemiker*innen des MIT an neuen Methoden und Modellen, die zu einem besseren Verständnis der molekularen Selbstorganisation verhelfen sollen.

Konkret nehmen die Forschenden elektrochemische Prozesse unter die Lupe, also Prozesse welche durch elektrische Spannungen oder Ladungsänderungen ausgelöst werden. Die elektrochemisch gesteuerte molekulare Selbstorganisation spielt unter anderem für den Betrieb von Batterien eine zentrale Rolle. „Unsere Grundlagenforschung könnte eine Basis für die Entwicklung von neuen Superkondensatoren bilden, die zum Beispiel das Laden von Batteriefahrzeugen enorm beschleunigen würden“, so Speck.

Angestoßen wurde die Kooperation durch das MIT: „Professor Adam Willard, den ich persönlich aus meiner Postdoc-Zeit kenne, kam auf mich zu. Er forscht am MIT zur Organisation von Ionen und der Struktur von Elektrolyten mittels Computersimulationen. Hier am Institut für Theoretische Physik IV nutzen wir theoretische Methoden der statistischen Nichtgleichgewichts-Physik, um dynamische Phänomene zu erklären. Indem wir beide Expertisen zusammenführen, gewinnen wir neue Einsichten.“

Ermöglicht wird das deutsch-amerikanische Projekt durch den MIT Global Seed Fund. Ziel des Fonds ist es, durch gemeinsame Vorhaben die Beziehungen zwischen dem MIT und der Universität Stuttgart zu vertiefen, Synergien zu identifizieren und zu nutzen. Bis zu 25.000 Dollar Anschubfinanzierung stellt der Fonds pro Projekt zur Verfügung. „Mit den Mitteln können wir Forschungsreisen in die USA und nach Deutschland finanzieren. Das ermöglicht einen besonders intensiven Austausch und gibt der Zusammenarbeit einen wertvollen Schub“, so Thomas Speck. „Für die beteiligten Nachwuchswissenschaftlerinnen stellen die Forschungsaufenthalte zugleich eine gute Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen Weiterentwicklung dar.“

Neben Willard und Speck zählen eine Doktorandin des MIT und eine Stuttgarter Doktorandin zum direkten Projektteam. Darüber hinaus sollen weitere Forschende eingebunden werden. Das Projekt ist auf eineinhalb Jahre ausgelegt, geplant ist in dieser Zeit unter anderem ein gemeinsamer Workshop beider Forschungsgruppen in Stuttgart, der viel Raum für fachlichen Austausch und die Entwicklung gemeinsamer Ideen bietet.

Jetzt bewerben: MIT Global Seed Fund 2025/2026
In der aktuellen Ausschreibungsrunde können sich Forschende aller Disziplinen der Universität Stuttgart noch bis zum 16. Dezember für eine Anschubfinanzierung durch den MIT Global Seed Fund bewerben. Angesprochen sind insbesondere ambitionierte Nachwuchswissenschaftler*innen, die noch am Beginn ihrer akademischen Karriere stehen.
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