„Jugend forscht"

Preisträger 2017 ausgezeichnet: Fonds der Chemischen Industrie stiftet acht Preise

Die Siegerinnen und Sieger des 52. Bundesfinales von Jugend forscht stehen fest. In Anwesenheit von Bundesbildungsministerin Prof. Dr. Johanna Wanka, Kuratoriumsvorsitzende der Stiftung Jugend forscht e. V., wurden die talentierten Jungforscher bei der Siegerehrung in Erlangen ausgezeichnet.

Bundessieger-Team im Fach Chemie: Philipp Kessler (links) und Johannes Waller (Mitte) mit Dr. Gerd Romanowski (Geschäftsführer des Fonds der Chemischen Industrie) - Foto: © Stiftung Jugend forscht e. V.
Bundessieger-Team im Fach Chemie: Philipp Kessler (links) und Johannes Waller (Mitte) mit Dr. Gerd Romanowski (Geschäftsführer des Fonds der Chemischen Industrie) - Foto: © Stiftung Jugend forscht e. V.

178 Jugendliche mit insgesamt 107 innovativen Projekten – davon 26 Teilnehmer mit 15 Projekten im Fachgebiet Chemie – hatten sich für das diesjährige Bundesfinale von „Jugend forscht“ qualifiziert. Für die Chemie ist seit Jahren der Fonds der Chemischen Industrie Preisstifter.

Für die Entwicklung eines neuartigen Messverfahrens bei der Fehling-Probe belohnte die Jugend-forscht-Jury im Bundeswettbewerb 2017 Philipp Kessler (17) vom Friedrich-Schiller-Gymnasium, Ludwigsburg, und Johannes Waller (17) vom Mörike-Gymnasium, Ludwigsburg, mit dem ersten Preis im Fachgebiet Chemie. 2.500 Euro gab es für das Forschungsprojekt der zwei Schüler aus Baden-Württemberg, die zusammen im Schülerforschungslabor Kepler-Seminar e. V. Stuttgart arbeiten. Sie errangen mit diesem Preis den Bundessieg im Fachgebiet Chemie. Die beiden Jungforscher stellten mit Ihrem Projekt die Schulchemie auf den Prüfstand.

Das Sieger-Projekt

Mit der Fehling-Probe wurde früher Diabetes diagnostiziert, heute ist dieser klassische Nachweis für reduzierende Zucker mit dem eindeutigen Farbumschlag von blau nach ziegelrot immer noch ein Schulbeispiel für eine pH-abhängige Redox-Reaktion. Die bisher angenommene Interpretation in Schul- und Lehrbüchern wurde von Johannes Waller und Philipp Kessler infrage gestellt, da sie beobachteten, dass die beiden Zucker Glucose und Fructose unterschiedlich schnell reagieren, was sich mit dem bisher angenommenen Reaktionsmechanismus nicht erklären lässt. Ihre Laborversuche belegen, dass die Fehling-Probe einer komplexeren Chemie folgt als im Schulbuch dargestellt: Während der Reaktion entstehen verschiedene Zwischenstufen und Oxidationsprodukte, die ihrerseits reduzierend wirken. Die Färbung folgt bei beiden Zuckern unterschiedlichen Mechanismen und hängt von der Bildung bestimmter Zwischenprodukte ab. Das erklärt, warum die Fehling-Reaktion Fructose schneller rot färbt als Glucose.

Von links: Philipp Kessler und Johannes Waller - Foto:
Von links: Philipp Kessler und Johannes Waller - Foto: © Stiftung Jugend forscht e. V.
Philipp Kessler und Johannes Waller überzeugten die Jury durch ihr experimentelles Geschick bei der Entwicklung eines neuartigen Messverfahrens. Sie entwickelten eine kreative Lösung, indem sie eine Photometer-Zentrifuge konstruierten. Es gelang Ihnen, die Verläufe der Reaktion für verschiedene Zucker und Kontrollverbindungen detailliert zu verstehen und zu vergleichen. Durch zahlreiche Versuchsreihen konnten sie ihre Anfangshypothese untermauern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Reaktion weitaus komplexer ist als bislang vermutet, und geben Anlass, das Lehrbuchwissen über die Fehling-Probe zu überdenken.



Hintergrund

Der Fonds der Chemischen Industrie stiftete verschiedene Preise. Schon traditionell gab es wie in den Vorjahren fünf Preise im Fachgebiet Chemie sowie drei Sonderpreise. Die drei Sonderpreise, die mit je 1.000 Euro dotiert sind, wurden wie gehabt für den Bereich Biotechnologie, für eine Arbeit mit großer Bedeutung für eine nachhaltige Entwicklung in der Chemie und für chemische Nanotechnologie vergeben. Insgesamt liegt die Höhe der Fonds-Preisgelder auch im 52. Bundeswettbewerb wieder bei 10.500 Euro.

Im Jahr 2011, dem Internationalen Jahr der Chemie, hatte der Fonds seine Förderung bei Jugend forscht ausgeweitet indem er zusätzlich zu den genannten Preisen im Bundeswettbewerb auch die Chemiepreise bei allen Regional- und Landeswettbewerben stiftete und sich so 2011 mit insgesamt 50.000 Euro bei Jugend forscht engagierte. Dieses erweiterte Engagement von 50.000 Euro jährlich hat der Fonds zweimal für jeweils fünf Jahre, 2012 bis 2016 sowie 2017 bis 2021, fortgeschrieben; er gehört damit seit 2011 zu den Haupt-Förderern von Jugend forscht.

Die weiteren Preisträger 2017

2017 ging der zweite Preis im Fachgebiet Chemie an Hien Le (19), Gymnasium an der Stadtmauer, Bad Kreuznach. Hien Le ist von intelligenten Hydrogelen fasziniert. Diese wasserhaltigen Kunststoffmoleküle reagieren spontan auf Temperatur, Säure oder Licht. Dann falten sie sich von selbst zu eindrucksvollen Gebilden, aus denen sich Sensoren, Implantate oder künstliche Gewebe herstellen lassen. Die Jungforscherin wollte wissen, wie genau es zu den Faltungen kommt. Sie stellte eigene Hydrogele her und vernetzte sie zu Doppelschichten, bei denen eine Seite auf Temperatur, die andere auf den pH-Wert der Umgebung reagiert. Bei ihren Versuchen mit dünnen Gel-Filmen und Streifen stellte sie fest, dass es für die richtige Faltung auf die chemische Zusammensetzung des Kunststoffs ankommt. Entscheidend ist aber auch, dass die Filme gleichmäßig dünn sind und die beiden Schichten gut aneinanderhaften.

An Arta Safari (17), Altes Gymnasium, Bremen, vergab die Jury den dritten Preis im Fachgebiert Chemie. Er beschäftigte sich mit Immobilisierung von Laccase für katalytische Anwendungen. Bestimmte Enzyme bilden auf Oberflächen Schichten aus, die nur eine Moleküllage dick sind. Arta Safari vermutet, dass sich aus solchen Monolayern hochwirksame Katalysatoren entwickeln ließen. Allerdings ist bislang nicht geklärt, welche Kräfte bei der Anlagerung wirken. Der Jungforscher simulierte am Computer die Wechselwirkungen des Enzyms Laccase mit Oberflächen sowohl aus Siliziumdioxid als auch aus Graphen, einer besonderen Form des Kohlenstoffs. Auf Siliziumdioxid, so fand er heraus, wird Laccase durch elektrostatische Wechselwirkungen festgehalten. Bei Graphen dagegen kommt es zur Überlappung der Ladungswolken von Enzymbausteinen und Kohlenstoff. Da diese Bindung besonders stark und von äußeren Faktoren unabhängig ist, wäre Graphen als Träger für Bio-Katalysatoren ideal.

Den vierten Chemie-Preis erhielt ein Zweier-Team vom Albert-Schweitzer-Gymnasium, Erfurt. Heidi Limberger (17) und Nathalie Mähl (18) befassten sich mit dem Thema, wie Licht heilende Gifte erzeugt – pflanzliche Phototoxine zur Anwendung in der Medizin. Manche Pflanzen bilden unter UV-Strahlung Stoffe, die Hauterkrankungen lindern oder gar heilen können. Die beiden Schülerinnen wollten wissen, wo solche sogenannte Phototoxine vorkommen. Sie extrahierten Wirkstoffe aus verschiedenen Pflanzen und Früchten. Anschließend analysierten sie die Extrakte mit spektroskopischen und chromatografischen Methoden. In Sellerie, Grapefruit, Pastinake und der limettenähnlichen Mikawa entdeckten die Jungforscherinnen phototoxische Wirkstoffe aus der Gruppe der Furocumarine. Dass diese Stoffe eine Wirkung auf lebende Zellen haben, bewiesen sie mithilfe von Mikroorganismen: Winzige Tröpfchen der Extrakte hemmten das Wachstum von Bacillus-Bakterien in der Petrischale.

Von links: Philipp Herget und Maurice Noll
Von links: Philipp Herget und Maurice Noll © Stiftung Jugend forscht e. V.
Den fünften der vom Fonds gestifteten Chemie-Preise konnten Philipp Herget (16) und Maurice Noll (16) mit nach Hause nehmen nach Bayern ins Hanns-Seidel-Gymnasium, Hösbach. Licht reinigt Luft: Tageslicht-Fotokatalyse mit modifiziertem Titandioxid – so lautete ihr Thema.

Die UV-Strahlung der Sonne hat so viel Energie, dass sie schädliche Stoffe in der Außenluft zerstören kann. Wie aber entfernt man Schadstoffe in Innenräumen, wo es nur diffuses, energiearmes Tageslicht gibt? Philipp Herget und Maurice Noll suchten nach Katalysatoren, die den Abbau chemischer Stoffe ohne UV-Licht möglich machen. Dafür mischten sie katalytisch wirksames Titandioxid mit Mineralien oder Grafit und analysierten, wie gut die neuen Rezepturen Gase wie Ethylen, Acetaldehyd und Toluol zerstören. Alle Mischungen waren aktiver als käufliche Fotokatalysatoren aus reinem Titandioxid. Besonders gut funktionierte eine Rezeptur mit Grafit – damit verlief der Schadstoffabbau um den Faktor 2,6 schneller.

Die Sonderpreise

Den ersten der Fonds-Sonderpreise, den Preis für Biotechnologie, vergab die Jury an Christoph Griehl (19), Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, und Lorenz Pfordte (19), Hochschule Anhalt, Köthen. Die beiden untersuchten die Bildung von Polyhydroxyalkanoaten in Bakterien Da Biokunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe erzeugt und abgebaut werden, sind sie biologisch umweltfreundlicher als herkömmliches aus Erdöl hergestelltes Plastik. Davon sind auch Christoph Griehl und Lorenz Pfordte überzeugt und nahmen das Bioplastik Polyhydroxybuttersäure – kurz PHB – unter die Lupe. Mit einem eigenen Durchflusszellen-Messgerät verfolgten sie die Entstehung der Substanz in Bodenbakterien und analysierten sie mithilfe eines neuen Fluoreszenzfarbstoffs. Um die biologische Abbaubarkeit des Stoffes zu untersuchen, isolierten sie die Polyhydroxybuttersäure aus den Zellen und beobachteten ihre Zersetzung sowohl an der Luft als auch unter Sauerstoffausschluss. Es zeigte sich, dass reine PHB am besten an der Luft zersetzt wird – und zwar deutlich schneller als Stroh.

Der zweite Fonds-Sonderpreis, der Preis für eine nachhaltige Entwicklung in der Chemie, ging an das Trio Johannes Alexander Füßler (20), Lisa-Marie Müller (19) und Katharina Krebs (19) von der Max-Beckmann-Schule, Frankfurt am Main. Voller Gastmoleküle – Netzwerke der Zukunft, so lautete der Name ihres Projekts. Metall-organische Gerüstverbindungen sind hochporöse Materialien, die in ihren Hohlräumen Gastmoleküle einlagern können. Sie werden beispielsweise für die Reinigung von Erdgas oder Biomethan sowie für den gezielten Wirkstofftransport im menschlichen Körper genutzt. Johannes Alexander Füßler, Lisa-Marie Müller und Katharina Krebs stellten die Hightech-Verbindungen im Schullabor her und untersuchten sie hinsichtlich möglicher weiterer Anwendungen. Dabei gelang es ihnen, das Antibiotikum Ampicillin in die Gerüstverbindung einzulagern und wieder gezielt freizusetzen. Mit dieser Methode könnten Arznei-Wirkstoffe künftig direkt an die Stelle im Körper transportiert werden, wo sie benötigt werden.

Den dritten Sonderpreis des Fonds, den Preis für chemische Nanotechnologie, vergab die Jury an Leon Flachmann (18) und Luca Krüger (14) von der Marienschule der Ursulinen, Bielefeld. Die beiden sehen in AluEnergy eine günstige Alternative. Die Lithium-Ionen-Akkus in Smartphones müssen häufig aufgeladen werden und können sich unter Umständen sogar selbst entzünden. Leo Flachmann und Luca Krüger wollten wissen, ob sich das Lithium durch Aluminium ersetzen lässt, das preiswerter und nicht so leicht entzündlich ist. Die Jungforscher testeten im Labor verschiedene elektrochemische Zellen mit Elektroden aus Aluminium, Grafit und einer Mischung von Aluminium und Lithium. Sie bauten dabei Dual-Ionen-Batterien nach, bei denen sowohl Kationen als auch Anionen Ladung speichern, weshalb die Batterien mehr Leistung bringen. Bei den Messungen von Spannung und Stromstärke zeigten die Akkus ganz ohne Lithium die besten Ergebnisse: Sie können die Spannung länger halten und ihre Leistung nahm nach mehrmaligem Laden und Entladen nur wenig ab.

Für Fragen und Anregungen nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf.

Ansprechpartner

Dr. Sabine Bertram

E-Mail: bertram@vci.de