Forschung hat im Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften eine lange Tradition. Nachfolgend geben wir einen kleinen Einblick in die Themenvielfalt der Forschungsarbeiten unserer Promovierenden und listen auf, von wem sie an der H-BRS betreut werden. Weiterführende Links führen zu Forschungsinstituten, Kooperationspartnern, Veröffentlichungen u.ä. (Auswahl, letztes Update Februar 2024).

Patrick Babczyk
Doktorand Patrick Babczyk untersucht den Einfluss von sekretierten, extrazellulären Vesikeln (Exosomen) aus sich in Richtung Fettzellen differenzierenden Stammzellen auf Endothelzellen. Das sind Zellen, welche die innere Schicht der Blutgefäße bilden. Er möchte so einen Ansatzpunkt finden, um das Entstehen der Atherosklerose, der krankhaften Verengung von Arterien, und damit verbundene Folgen, wie Herzinfarkt oder Schlaganfall, vorzubeugen.
Betreuung: Prof. Dr. Edda Tobiasch

Jonas Bergrath, TREE

Im Zuge des nachhaltigen Umdenkens ist es enorm wichtig, chemische Ressourcen vornehmlich aus nachwachsenden Rohstoffen zu beziehen. Ein möglicher Kandidat, der auch langfristig in verschiedensten Vorstufen der chemischen Industrie eingesetzt werden kann, ist das Lignin. Dazu schaut sich Doktorand Jonas Bergrath verschiedene biogene Abfälle (u.a. Althölzer und Trester aus dem Weinanbau) an, um möglichst „grün“ Lignin zu isolieren. Da Lignin äußerst schwer und reproduzierbar zu charakterisieren ist, nutzt er eine große Bandbreite an analytischen und computerchemischen Methoden, um mögliche Struktur-Eigenschaft Korrelationen aufzuzeigen. Das übergeordnete Ziel ist es, die physikalisch-chemischen Eigenschaften (u.a. Adsorption und Verhalten in Lösemitteln) mit Strukturelementen des Lignins in Verbindung zu setzen und es als Adsorptionsmittel für organische Kleinstmoleküle (bspw. Pharmazeutika) in der Abwasseraufbereitung einzusetzen.
Betreuung: Prof. Dr. Margit Schulze

Jennifer Braun, ISF
Doktorandin Jennifer Braun nimmt den Spürhund als „Detektor“ für organische Volatile (engl. „volatile organic compounds“ – kurz VOCs) genauer unter die Lupe. Spürhunde besitzen durch ihr hochsensibles Riechorgan die besondere Fähigkeit, Drogen, Explosivstoffe, Menschen oder Tiere anhand ihrer Duftstoffe zu erschnüffeln. Doch wie empfindlich ist der Hund und wie sicher ist seine Anzeige? Um dem auf den Grund zu gehen, befasst sich Doktorandin Jennifer Braun mit Verfahren zur qualitätsgesicherten Quantifizierung von VOCs, die primär die instrumentelle Analytik aber auch den Spürhund umfassen.
Betreuung: Prof. Dr. Peter-Michael Kaul

Rene Breuch, ISF
Unerwünschte Bakterien in der Lebensmittelindustrie sind ein Problem, und sie zu detektieren ist eine besondere Herausforderung. Doktorand Rene Breuch erforscht, wie man mit Hilfe der oberflächen-verstärkenden Raman-Spektroskopie (SERS) solche Bakterien rechtzeitig erkennen kann. Dabei detektiert und differenziert er Verderbs-Bakterien durch die gezielte Entwicklung strapazierfähiger SERS-Substrate basierend auf Goldnanopartikeln, geeigneten Methoden zur Probennahme und multivariater Statistik.
Betreuung: Prof. Dr. Peter Kaul.

Dominik Büchner,  TREE, Projekt Hybrid-KEM
Für die aktuell meistverbreitete Behandlungsmethode von Knochendefekten wird patienteneigenes Knochengewebe z.B. an der Hüfte entnommen und in den Defekt transplantiert. Eine Alternative dazu sind biokompatible, synthetische Knochenersatzmaterialien. Durch chemische Modifizierung des aus Algen gewonnenen Biopolymers Agarose sowie die Synthese des natürlichen Knochenminerals Hydroxyapatit entwickelt Doktorand Dominik Büchner im Projekt Hybrid-KEM ein neuartiges Knochenersatzmaterial, das als Trägermaterial für (Stamm-)Zellen und Wirkstoffe dient und somit zur Behandlung von Knochendefekten eingesetzt werden kann.
Betreuung: Prof. Dr. Margit Schulze

Xuan Tung Do, TREE, Projekt BiopolymerModell
Wie man aus einem jahrhundertealten Abfallprodukt ein Material mit Superkräften macht, untersucht Doktorand Xuan Tung Do. Viele Gegenstände des täglichen Lebens werden heute noch in irgendeiner Form aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl hergestellt. Da diese Rohstoffe nur begrenzt verfügbar sind, suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach nachhaltigen Alternativen. Doktorand Xuan Tung Do untersucht zu diesem Zweck einen Abfallstoff aus der Papierindustrie - das Lignin. Es ist ein komplexes Biopolymer und muss erst mit verschiedenen analytischen und statistischen Methoden charakterisiert werden, bevor man es als direkten Ersatz für Erdöl nutzen kann. Do bestimmt im Rahmen seiner Doktorarbeit das Molekulargewicht des Biopolymers mit Hilfe verschiedener spektroskopischer sowie 1D- bzw. 2D-chromatographischer Methoden.
Betreuung: Prof. Dr. Margit Schulze

Benedikt Eger
Bleidioxid ist aufgrund seiner Korrionsbeständigkeit, geringen Materialkosten und vergleichsweise hohen Leitfähigkeit ein bewährtes Anodenmaterial in der Elektrochemie. Doktorand Benedikt Eger beschäftigt sich mit dessen Anwendung in der elektrolytischen Wasserspaltung. Bei diesem Prozess entsteht neben dem kathodenseitigen Wasserstoff und dem anodenseitigen Produkt Sauerstoff auch das starke Oxidationsmittel Ozon. In der oxidativen Reinigung von Abwässern wird Ozon verwendet um Verunreinigungen und Pathogene zu idealerweise harmlosen oder leichter zu entfernenden Produkten zu zersetzen, Reste des Ozons reagieren dabei zu Sauerstoff.
Für die großtechnische Anwendung zeigt sich jedoch ein Problem bei der Ozonerzeugung an PbO₂-Anoden, die Effizienz. Die Effizienz für die elektrochemische Ozonbildung entspricht dem Verhältnis der erzeugten Menge Ozon zur entsprechend der Faraday’schen Gleichung maximal erzeugbaren Ozonmenge. Um kostengünstiger Ozon mittels Elektrolyse zu erzeugen ist eine gezielte Effizienzsteigerung notwendig.
Benedikt Eger möchte im Rahmen seiner Promotionsarbeit ein neues Modell für den Zusammenhang zwischen den Eigenschaften von Bleidioxidschichtenund dem Prozess der elektrolytischen Wasserspaltung entwickeln und zur Effizienzsteigerung der Ozonbildung verwenden.
Betreuung: Prof. Dr. Steffen Witzleben

Philipp Gillemot, TREE, Projekt REDEX
Qualitativ hochwertiges Trinkwasser stellt eine der meist verwendeten Ressourcen in der Industrie, der Landwirtschaft und in privaten Haushalten dar. Das bei der Nutzung entstehende Abwasser erfordert jedoch eine aufwendige Aufbereitung, da es durch verschiedenste Chemikalien verunreinigt sein kann. Um potentiell gesundheitsgefährdende Verunreinigungen abzubauen, kommen in Kläranlagen verbreitet sogenannte Oxidationsprozesse zum Einsatz. Bestimmte Verbindungen, darunter Pflanzenschutzmittel und Medikamentenrückstände, sind jedoch sehr stabil und lassen sich auf oxidativem Wege nicht abbauen – sie verbleiben persistent in der Umwelt. Daher untersucht Doktorand Philipp Gillemot, inwieweit die reduktive Aufarbeitung von kontaminierten Wässern als effiziente Alternative eingesetzt werden kann, um solche kritischen Wasserinhaltsstoffe unschädlich zu machen. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung geeigneter Katalysatormaterialien, um das Potential dieser neuartigen Behandlungsmethode voll ausschöpfen zu können.
Betreuung: Prof. Dr. Steffen Witzleben

Nektaria Giotis
Doktorandin Nektaria Giotis erforscht eine seltene genetische Stoffwechselstörung, den HSD10-Defekt, der erst im Jahr 2000 zum ersten Mal identifiziert worden ist. Unter Anleitung Prof. Dr. Thomas Lücke von der Ruhr-Universität Bochum und Prof. Dr. Jörn Oliver Sass von der H-BRS bearbeitet sie ein medizinisches Promotionsvorhaben. Es geht darum, Informationen  zum Krankeitsverlauf und zu Zusammenhängen zwischen Genotyp und Phänoptyp zu gewinnen, wobei auch mögliche Einflüsse auf den Steroidhaushalt erforscht werden. Damit trägt Nektaria Giotis zu einem besseren Verständnis der HSD10-Krankheit bei und leistet einen Beitrag zur Verbesserung von Diagnose und Prognostik.
Betreuung: Prof. Dr. Jörn Oliver Sass

Jana Hinz, ISF
N-Nitrosamine sind zum Teil leichtflüchtige Verbindungen, die bei vielen verschiedenen Industrieprozessen entstehen können und als krebserregend eingestuft sind. Aufgrund ihres hohen Gesundheitsrisikos ist es von akutem Interesse, dass verlässliche, sensitive und mobile Systeme zu der Detektion und Quantifizierung von N-Nitrosaminen entwickelt werden. Doktorandin Jana Hinz beschäftigt sich im Rahmen ihrer Promotion mit der Entwicklung eines GC-FAIMS Systems, einem Messgerät zur schnellen Analyse von N-Nitrosaminen. Dieses System soll in verschiedenen Industriezweigen zur Anwendung kommen. Im Vergleich zu gebräuchlichen Methoden bietet die GC-FAIMS den Vorteil, dass sie schnell, vor Ort einsetzbar und kosteneffizient ist.
Betreuerin: Prof. Dr. Michaela Wirtz

Lil Klaas
Doktorandin Lil Klaas erforscht mit Unterstützung der Arbeitsgemeinschaft pädiatrische Stoffwechselstörungen (APS) seltene genetische Defekte in ausgewählten Enzymen (Aminoacylasen), die zu angeborenen Stoffwechselstörungen führen. Ziel ihrer Forschung ist es, die Mechanismen besser zu verstehen, die solchen Störungen zugrunde liegen, und dadurch eine Basis für therapeutische Ansätze zu schaffen. Lil Klaas ist Stipendiatin der Gleichstellungsstelle und forscht am H-BRS-Standort-Rheinbach. Betreuung: Prof. Dr. Jörn Oliver Sass

René Yufenyuy Lawong
Eines der Schlüsselelemente, das von Landwirbeltieren zur Regulierung ihres Natrium- und Wasserhaushalts genutzt wird, 
ist der epitheliale Natriumkanal (ENaC). Dieser ist z.B. für die Feinabstimmung der Wiederaufnahme von Natriumionen aus der Niere zuständig und er stimmt Natriumaufnahme und -ausscheidung aufeinander ab. ENaC vermittelt auch die Aufnahme von Natrium durch das Epithelgewebe des Dickdarms, der Schweißdrüsen, des Fortpflanzungstrakts und der Lunge. Eine unzureichende Regulierung von ENaC wird mit schweren Erkrankungen wie Pseudohypoaldosteronismus Typ 1, Liddle-Syndrom, nephrotisches Syndrom, zystischer Fibrose und Lungenödemen in Verbindung gebracht.

Der Doktorand Rene Yufenyuy Lawong untersucht die verschiedenen Mechanismen, durch die dieser Ionenkanal reguliert wird. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung 
der Physiologie der verschiedenen ENaC-Untereinheiten, die zu funktionell unterschiedlichen ENaC Isoformen (d.h. Molekülen mit gleichen Bestandteilen, aber unterschiedlichem Aufbau) führen. 
Betreuung: Prof. Dr. Mike Althaus 

Dennis Michalski, ISF
Pyrotechnische Verzögerungselemente finden sich  beispielsweise in der Sprengtechnik, in Feuerlöschsystemen oder in Feuerwerkskörpern. Sie enthalten häufig toxische Schwermetallverbindungen. Ihre Verarbeitung erfordert Bindemittel, welche mit dem Einsatz von Lösemitteln oder der Notwendigkeit von Trocknungsprozessen verbunden sind. Hierdurch entstehen Lösemittelabfälle oder ein hoher Bedarf an Energie. Die klassische Herstellung von Verzögerungssätzen erfordert zudem den Einsatz kostspieliger Geräte, was einen wichtigen ökonomischen Faktor darstellt. Ziel des Promotionsvorhabens von Dennis Michalski ist sowohl die Entwicklung einer alternativen Herstellungsmethode für Verzögerungssätze, als auch das Ersetzen toxischer Verbindungen sowie der Einsatz umweltfreundlicherer Bindemittel. Die Verzögerungssätze werden dabei beispielsweise hinsichtlich ihrer Abbrandgeschwindigkeit untersucht und die dazugehörigen Einflussfaktoren ermittelt. Die Entwicklung orientiert sich dabei an den 12 Regeln der Grünen Chemie (Anastas & Werner) und setzt diese nach Möglichkeit um.

Betreuung: Prof. Dr. Peter Kaul, Prof.in Dr. Claudia Wickleder

Cassandra Moers, TREE
Doktorandin Cassandra Moers erforscht Aluminium-Dickdrähte, die in einer Vielzahl von elektronischen Komponenten verarbeitet sind, beispielsweise in Sensoren und Steuergeräten von Transportmitteln. Solche elektronischen Komponenten gewinnen im Rahmen der E-Mobilität und des "unterstützenden und autonomen Fahrens" zunehmend an Bedeutung. Im täglichen Einsatz werden die Aluminium-Dickdrähte mechanischen, thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt und können mit der Zeit versagen, was zu einem Komplettausfall des Bauteils führen kann. Deshalb untersucht und bewertet Doktorandin Cassandra Moers die Zuverlässigkeit der Drahtmaterialien und simuliert deren Einsatzverhalten. Die Aluminium-Dickdrähte, die sie untersucht, haben Durchmesser von unter einem halben Millimeter, was etwa zehnmal so dick wie ein menschliches Haar ist.
Betreuung: Prof. Dr. Christian Dresbach

Matthias Muhr, ISF
Neu synthetisierte Chemikalien oder Produkte, von denen in Reinform oder als Gemisch eine Explosionsgefahr ausgeht, stellen ohne eine hinreichende Charakterisierung und Klassifizierung ein Sicherheitsrisiko dar. Klassisch werden solche Stoffe mit einer Vielzahl konventioneller Prüfmethoden charakterisiert, die den Umgang mit verhältnismäßig großen Probenmengen erfordern. Ziel des Promotionsvorhabens von Matthias Muhr ist es, durch die sensorische Überwachung dieser konventionellen Methoden einen Prüfapparat zu entwickeln, mit dem es möglich ist eine genauere Charakterisierung von derartigen Stoffen vornehmen zu können. Dabei sollen die Probenmengen deutlich reduziert werden, um das Sicherheitsrisiko beim Umgang deutlich zu senken.
Betreuung: Prof. Dr. Gerhard Holl (siehe auch Stipendiaten 2019)

Julian Rech, TREE
Kunststoffe sind aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Kunstoffen und damit einhergehend erweiterte Anwendungsmöglichkeiten, werden Kunststoffe mit Füllstoffen verstärkt, beispielweise mit Glasfasern, Glaskugeln, Kohlefasern etc.. Doktorand Julian Rech will in seiner Forschungsarbeit die neuen mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbundwerkstoffes modellieren und verifizieren. Die Neuentwicklung dieses Modellansatzes (Elementar Volume Concept) beruht auf der Berücksichtigung der Haftung zwischen Füllstoff und Matrix (Kunststoff), welche eine bessere Vorhersage von z.B. der Steifigkeit des Verbundwerkstoffes zur Folge hat. Diese Modellergebnisse sind wichtig für Designer und Ingenieure zur Konstruktion neuer Kunststoffbauteile für unter anderem Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie sicherheitsrelevante Anwendungen.
Betreuung: Prof. Dr. Bernhard Möginger

Hanna Rohde
Chemikerin Hanna Rohde bewertet in ihrer Dissertation die Lebensdauer von Metall-Keramik-Substraten der Leistungselektronik. Diese werden zum Beispiel in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt und im Energiesektor verwendet. Als Materialwissenschaftlerin möchte sie ein numerisches Modell entwickeln, um das Versagen der Bauteile rechnerisch bestimmen zu können. Dies soll die Testung und Zulassung der Module beschleunigen.
Betreuung: Prof. Dr. Christian Dresbach

Sara Schäfer, ISF
Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird Reinstwasser als Lösungsmittel oder
Ausgangsprodukt für Pharmazeutika sowie zur Reinigung von Oberflächen bei der Herstellung von hochpräzisen Bauteilen in der Halbleiterfertigung eingesetzt. Die Überwachung der Wasserqualität ist dabei von größter Bedeutung. Doktorandin Sara Schäfer entwickelt ein universelles Messgerät zur Überwachung der Reinstwasserqualität. Dieses kombiniert zwei Standardmethoden der Oxidation. Die Oxidation erfolgt durch Ozonung in Kombination mit UV-Strahlung. Das wiederum führt zu einem
erweiterten Oxidationsprozess und damit zu einer signifikanten Steigerung der Oxidationskraft im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
Betreuung: Prof. Dr. Peter Kaul

Sarah Shoushrah

Was nicht geheilt werden kann, muss man ertragen lernen. Forscher versuchen jedoch, diese Tatsache zu ändern und suchen nach neuen Behandlungsmöglichkeiten für eine Vielzahl verschiedener Krankheiten. Ein Beispiel sind große, sogenannte "critical size"-Knochenverletzungen, die im Laufe des Lebens eines Menschen nicht ohne umfangreiche Eingriffe heilen können. Ein Ansatz, dies zu ändern, ist die Verwendung von mesenchymalen Stammzellen (MSCs), die ein großes Potenzial für die Behandlung solcher Erkrankungen gezeigt haben. Sie können sich in Knochenzellen differenzieren und zusätzlich therapeutische Faktoren freisetzen. Unter bestimmten Umständen sind sie jedoch in ihrer Menge begrenzt und können ihre Fähigkeiten bei längerer Laborkultur nicht beibehalten.

Kürzlich bot die Entdeckung der induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), für die 2012 der Nobelpreis verliehen wurde, einen neuen Ansatz. Diese Zellen können im Labor on-demand zu mesenchymalen Stammzellen (iMSCs) generiert werden und stellen somit eine mögliche alternative Technik dar. iMSCs haben Ähnlichkeiten mit MSCs, aber noch ist wenig über sie bekannt. In ihrem Promotionsprojekt möchte Sarah Shoushrah herausfinden, wie effektiv iMSCs im Vergleich zu MSCs für zukünftige Anwendungen in der Knochenreparatur sind.

Betreuung: Prof. Dr. Edda Tobiasch

Michael Stotter, IZNE
Das deutsch-niederländische Projekt "Food Protects" verfolgt das Ziel, regionale auftretende, überschüssige Nitrateinträge aus der Landwirtschaft zu verringern und die Strukturvielfalt in der Agrarlandschaft zu erhöhen. Dazu erarbeitet Doktorand Michael Stotter die Umweltauswirkungen nach der Verwendung von Miscanthus-Biomasse in der Viehhaltung. Er fokussiert sich dabei auf die umwelt- sowie standortgerechte Applikation organischer Dünger aus Miscanthus-Zugaben. Der Einfluss auf die Stickstoff- und Kohlenstoffdynamik und die Interaktion im System Boden-Pflanze stehen dabei im Vordergrund.
Betreuung: Prof. Dr. Martin Hamer

Emre Ünal

Die lokale und kontrollierte Initiierung von energetischen Materialen durch Laserstrahlung gekoppelt mit sensorischer Überwachung beinhaltet eine Reihe von Fragestellungen und ist speziell für Zündstoffe eine besondere Herausforderung. Die Richtung der Arbeiten liegen im Bereich der
Detektionsmethodik. Hierbei ist die kontrollierte Energieeinkopplung durch Laserstrahlung (unterschiedliche Strahlquellen) in die untersuchten Stoffe ohne Kenntnis über deren spezifische Absorptionskoeffizienten von großem Interesse bei der Entwicklung von Detektionsverfahren. Eine Möglichkeit dies zu realisieren, liegt im Aufbringen geeigneter Beschichtungen mit bekannten
Absorptionskoeffizienten. Hierfür werden unterschiedliche Verfahren (beispielsweise Spray-Coating) vergleichend untersucht. So könnte in Verbindung mit der Wahl geeigneter Laserparameter die Realisierung einer kontrollierten lokalen Intitiierung unterhalb kritischer Geometrien erfolgen, sodass das energetische Material nicht in der Masse zur Umsetzung kommt und so eine Detonation oder Deflagration verhindert wird. Die bei der Reaktion emittierten Gase und physikalischen Phänomene werden
 genutzt, um das untersuchte Material und die hier ablaufenden Prozesse zu studieren.
Betreuer: Prof. Dr. Thomas M. Klapötke / Prof. Dr. Peter Kaul

Sarah Vermeeren, ISF
Doktorandin Sarah Vermeeren entwickelt ein Verfahren zur Detektion von Kartoffelkrebs, der durch den Töpfchenpilz Synchytrium endobioticum (Schilb.) Perc. ausgelöst wird und zu den bedeutendsten Schaderregern an Kartoffeln zählt. Er besitzt in den EU-Staaten sogar Quarantänestatus, d.h. befallene Flächen sind über Jahre für den Kartoffelanbau gesperrt. Deshalb ist eine frühzeitige Detektion und Eindämmung des Kartoffelkrebses extrem wichtig. Sarah Vermeeren analysiert mit Hilfe der Thermodesorption-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC-MS) und der Protonen-Tranfer-Reaktion Time-of-Flight Massenspektrometrie (PTR-ToF-MS) die Volatile Organic Compound (VOC)-Profile von Kartoffelpflanzen, Kartoffeln und Resterden, mit dem Ziel anhand dieser zwischen gesundem und infizierten Zustand unterscheiden zu können.
Betreuung: Prof. Dr. Peter Kaul