Ausschreibungen für den Projektbereich "Neue Materialien und ...

Ausschreibungen für den Projektbereich "Neue Materialien und Systeme"
1.1.Thema: "Ultra-fast calorimetry for nano-structured aluminium alloys"
Betreuer 1: Prof. Kessler; Fakultät für Maschinenbau u. Schiffstechnik
Betreuer 2: Prof. Schick; Institut für Physik
Quenching from solution annealing (or from hot deformation resp. from the melt) is one of the most important
steps during the manufacturing of nano-structured high-strength aluminium alloys. The structure changes during
quenching of aluminium alloys depending on the quenching rate can be monitored by fast differential scanning
calorimetry up to quenching rates of some 100 K/min. This new method has been recently and successfully
developed by the proposing Polymer Physics and Materials Engineering groups for middle-strength, low alloyed
AlMgSi-alloys and AlZnMg-alloys. For high-strength, high-alloyed AlMgSi-alloys, AlCuMg-alloys and
AlZnMgCu-alloys higher quenching rates of some 1000 K/min are necessary. Therefore calorimeters are
required, which can realize these high quenching rates. Such calorimeters (ultra-fast chip-calorimeters) are
available in principle, but must be developed further regarding quenching of high-strength, high-alloyed
aluminium alloys. The proposal contains the following steps:
• development of an ultra-fast chip-calorimeter for high-strength, high-alloyed aluminium alloys,
• quenching experiments of high-strength, high-alloyed aluminium samples in the ultra-fast chipcalorimeter
with a wide range of quenching rates,
• evaluation of the calorimeter data regarding the alloy structure changes,
• analysis of the nano-structure of high-strength aluminium alloys depending on quenching rate,
• characterization of mechanical properties of nano-structured high-strength aluminium alloys depending
on quenching rate,
• contribution to a material model for implementation in the quenching simulation of aluminium alloys.
O. Kessler, R. von Bargen, H.-W. Zoch, Continuous Cooling Transformation (CCT) Diagram of Aluminium
Alloy Al-4.5Zn-1Mg, Materials Science Forum 519-521 (2006), 1467-1472
B. Milkereit, Ch. Schick, O. Kessler, Continuous Cooling Precipitation Diagrams of Aluminium-Magnesium-
Silicon Alloys, Proc. 11th International Conference on Aluminium Alloys ICAA, 22.-26.09.2008, Aachen,
Germany, edited by J. Hirsch, B. Skrotzki, G. Gottstein, Wiley-VCH, Weinheim, 2008, 1232-1237
B. Milkereit, O. Kessler, Ch. Schick, Recording of continuous cooling precipitation diagrams of aluminium
alloys, Thermochimica Acta, in preparation
1.2.Thema:"Enzymmarkierte DNA an elektrisch heizbaren Elektroden"
Betreuer 1: Prof. Flechsig; Institut für Chemie
Betreuer 2: Prof. Gimsa; Institut für Biophysik
Neben der altbewährten optischen Detektion von DNA-Sequenzen, beispielsweise durch Blotten oder mit
Mikroarrays, werden seit etlichen Jahren auch vielversprechende elektrochemische Analysemethoden entwickelt,
die sich als leistungsfähige, preiswerte und einfach zu handhabende Alternativen für einen Einsatz in der
medizinischen Diagnostik und biowissenschaftlichen Forschung anbieten.
Im geplanten Promotionsprojekt sollen enzymmarkierte DNA-Reportersonden an nanostrukturierten geheizten
Elektroden zum Einsatz kommen. Letztere sind mit immobilisierten Fängersonden versehen. Die Zielmoleküle
müssen hierbei nicht verändert werden. Durch seine katalytische Wirkung erzeugt das Enzymmolekül (z.B.
alkalische Phosphatasen, Peroxidasen) aus geeigneten Substraten große Mengen elektroaktiver Substanzen für
die elektrochemische Detektion. Dies führt zu einer um Größenordnungen höheren Empfindlichkeit als bei den
herkömmlichen Redoxmarkern. Dieser Effekt soll durch die Nutzung nanostrukturierter Elektrodenoberflächen
nochmals extrem verstärkt werden. In Kooperation mit dem Fraunhofer IZM Berlin entstehen stark vergrößerte
nanostrukturierte Elektrodenoberflächen verschiedener Edelmetalle, die in neuartigen elektrochemischen
Abscheidungsverfahren gebildet werden. Gewöhnliche Enzymmarker sind meist hitzeempfindlich und würden
die bei einer stringenten Hybridisierung auftretenden Temperaturen nicht vertragen. Alternativ in Frage
kommende hitzebeständige Enzyme (z.B. aus thermophilen Organismen) sind jedoch erst bei hohen
Temperaturen voll aktiv. Daher sollen im geplanten Projekt selektiv geheizte Elektrodenarrays zum Einsatz
kommen.

Abbildung 1: Selbstangetriebener elektrochemischer Nanomotor (J. Wang et al., Angew. Chem. Int. Ed. 47
(2008) 9349)
Enzymmodifizierte Oberflächen werden auch eine wichtige Rolle beim bioanalytischen Einsatz von
Nanofluidik-Chips spielen, an denen wir in Kooperation mit Joseph Wang (Dept. of Nanoengineering,
University of California, San Diego) arbeiten. In Umkehrung des herkömmlichen Fluidikprinzips wird dabei
anstelle der Flüssigkeit die feste Phase in Gestalt von selbstantreibenden Nanomotoren bewegt.
Die Betreuer verfügen über 12 Jahre Erfahrung mit elektrochemischen Sensoren. Es bestehen langjährige
Kooperationen mit internationalen Partnern (neben Joseph Wang u. a. auch Richard Compton, Univ. Oxford,
UK), die für dieses Projekt relevant sein werden und der Stipendiatin/dem Stipendiaten hoch attraktive
Forschungsaufenthalte ermöglichen. Jan Gimsa bringt als zweiter Betreuer langjährige Expertise und
Kooperationen in den Bereichen Mikrofluidik, Dielektrophoretik und Nanostrukturierung ein. Es bestehen
weitere interdisziplinäre Kooperationen innerhalb der Universität Rostock, die von dem geplanten
Promotionsprojekt profitieren würden (GK Welisa, Prof. Ursula van Rienen, Prof. Inge Broer, Prof. Lienhard
Pagel)
1.3.Thema:"Experimentelle Untersuchung und Bewertung verschiedener Design-Parameter
koronarer Stents mit Hilfe der Stereo-Mikro-PIV"
Betreuer 1: Prof.Leder; Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik
Betreuer 2: Prof.Schmitz; Institut für Biomedizinische Technik
Die Arteriosklerose der Herzkranzgefäße gehört zu den häufigsten Krankheitsbildern in den westlichen
Industriestaaten. Eine heute etablierte Therapie ist die Dilatation des betroffenen Gefäßabschnittes und
Implantation einer Gefäßstütze (Stent). Bei einem großen Teil der Patienten kommt es bei dieser
Behandlungsmethode zu einem erneuten Verschluss des Gefäßes im Bereich des Stents. Diese In-Stent-
Restenose wird durch eine übermäßige Gewebsneubildung in der Gefäßwand verursacht, zu deren Entstehen
eine durch den Stent veränderte Strömung maßgeblich beiträgt. Vor allem niedrige und oszillierende
Wandschubspannungen sowie hohe Wandschubspannungsgradienten, wie sie in Gebieten mit ablösender
Strömung im Bereich der Stent-Stege zu erwarten sind, fördern das Zellwachstum.
In dem hier vorgestellten Projekt soll unter Einsatz des am Lehrstuhl Strömungsmechanik entwickelten Stereo-
Mikro-PIV-Systems die wandnahe Strömung an transparenten Ersatzmodellen verschiedener Stents im
Originalmaßstab untersucht und vom Stent-Design abhängige Veränderungen in der Verteilung der
Wandschubspannungen ermittelt werden. Hiermit kann ein Beitrag zur Entwicklung neuer,
strömungsmechanisch optimierter Stents geleistet werden. Die Arbeiten werden in Kooperation mit dem Institut
für Biomedizinische Technik der Universität Rostock durchgeführt.
N. DePaola, M.A. Gimbrone, P.F. Davies, C.F. Dewey (1992): Vascular endothelium responds to fluid shear
stress gradients, Arteriosklerosis, Thrombosis, and Vascular Biologie 12, pp. 1254-1257
N. Benard, D. Coisne, E. Donal, R. Perrault (2003): Experimental study of laminar blood flow through an artery
treated by a stent implantation: characterisation of intra-stent wall shear stress, Journal of Biomechanics 36, pp.
991-998

1.4.Thema:" Computergestützte Synthese innovativer Oligocyclopropylketide "
Betreuer 1: Prof. Langer; Institut für Chemie
Betreuer 2: Prof. Kühn; Institut für Physik
The goal of this proposal is the synthesis and characterization of cyclic and open-chained cyclopropylpolyketides
and peralkyl-polyketides. Open-chained polyketides are virtually unknown compounds to date. The
syntheses rely on Claisen-type condensations and will be carried out by application of a ‘building block’
strategy. The structure of the products will be studied in detail. Higher homologues should form helical
structures, due to the Thorpe-Ingold effect. Thus, higher homologues of cyclopropyl-polyketides may form ion
channels in membranes. In this context, the synthesis of peralkyl-polyketides, containing functionalized or nonfunctionalized
side-chains and hydrophilic carbonyl groups, will be studied. It is expected that cyclopropyl- and
peralkyl-polyketides should exhibit a rich chemistry which will be very useful for the synthesis of functionalized
polyketides. In addition, the antimicrobial and antiproliferative activity of cyclopropyl-polyketides will be
studied. The structure and the supramolecular structure of the products will be studied and explained with the
help of quantum mechanical calculations (AG Kühn).
1.5.Thema:" Computergestützte Optimierung neuartiger katalytischer Reaktionen "
Betreuer 1: Prof. Langer; Institut für Chemie
Betreuer 2: Prof. Kühn; Institut für Physik
The titanium(IV)chloride mediated cyclization of 1,3-bis(silyloxy)-1,3-butadienes with various electrophiles has
been studied in the AG Langer for several years. The regioselectivity of these reactions, which provide a
convenient access to pharmacologically relevant arenes, plays an important role for the efficiency of this process.
The combination of synthetic experimental work with quantum mechanical calculations (AG Kühn) should allow
to gain an understanding of the principles which influence the regioselectivity of the cyclization reactions. In this
context, calculations of transition states play an important role. The variation of the substitution pattern leads to
different regioselectivities. The calculations will be important to plan reaction conditions and experiments with
regard to the selectivity.
1.6.Thema: "Heat capacity spectroscopy of the dynamic glass transition in ionic liquids"
Betreuer 1: Prof. Schick; Institut für Physik
Betreuer 2: PD Verevkin; Institut für Chemie
Recently, it was found that a series of organic ionic compounds have melting temperatures lower than room
temperature and they are called ‘room-temperature ionic liquids’ (RTIL) or simply ‘ionic liquids’. These
compounds have various useful properties as a solvent, e.g., negligible vapor–pressure, amphiphilicity, noncombustibility,
etc. In spite of a number of researches focusing attention on their application, small number of
studies on their basic physical properties, especially on their thermodynamic and dynamic properties, have been
done.
Many RTIL can, however, be easily supercooled, often down to the glassy state, so that such systems comprise a
class of ionic molecular glass formers. While investigations into the physics of liquid-to-glass transition have
made great progress, primarily concerning simple molecular liquids, the role and importance of Coulomb
interactions in the case of ionic liquids have gained less attention and are poorly understood. RTIL can thus serve
as a suitable subject to study the role of ionic interactions in the glass transition. Moreover, since RTIL are twocomponent
systems, a suitable choice of the constituents allows to experimentally discriminate the dynamics of
different components and/or degrees of freedom. The main purpose of this project is the application of high
frequency heat capacity spectroscopy in combination with other dynamic probes at the dynamic glass transition
of well chosen and characterized ionic liquids.
Thin film based chip calorimeter are available for heat capacity spectroscopy up to several thousand Hertz. In
order to investigate more local dynamics (< nm) the frequency range has to be extended to higher frequencies
(up to MHz).
For the scholarship we are looking for a candidate with a diploma in physics, or physical chemistry with very
good experimental skills, and interest in interdisciplinary and international research work.

1.7. Thema: Reliability of Nanoelectronic Circuits ─ Modeling and Design
Betreuer 1: Prof. Timmermann; Institute of Applied Microelectronics and Computer Engineering
Betreuer 2: Prof. Uhrmacher; Institute of Computer Science– Modeling and Simulation
The aggressive scaling of device dimensions has brought current technology for integrated circuits into atomic
scales. Such nanotechnology features doping regions with less than hundred electron donors and device
structures with less than ten atomic layers. The motivating benefits for the development and usage of such
advanced technology are high performance and low power consumption of semiconductor products. However,
various issues of reliability have also arisen due to the given physical limits and the increasing number of
components within a single circuit. Firstly, product yield suffers significantly so that fewer circuits work fully
functionally correct which increases manufacturing costs. And secondly, integrated circuits fail more often as
well as earlier during their intended lifetime. Nevertheless, current design tools do neither allow to model nor to
design nanoelectronic circuits in respect of inconsistent and unreliable components. Thus, it requires a combined
approach to consider the modeling of physical failure mechanisms and the design and simulation of
nanoelectronic circuits.
The main causes for decreased lifetime reliability in current technology are electromigration, Time-Dependent
Dielectric Breakdown (TDDB), and thermal cycling. Hence, these and further corresponding mechanisms that
make integrated circuits highly susceptible to temporary failures and complete malfunction will have to be
modeled. Thereto, appropriate mathematical models will have to be found and developed that describe the
molecular processes and the physical behavior of the new materials in nanotechnology (e.g. high-κ dielectrics).
Such models require considering the changes over time and against further influencing parameters. This includes
for instance the logical state of the circuit, functional patterns of the running applications or the ambient
temperature and the circuit’s cooling. Though, accurateness and computational effort of the models will have to
be traded off against each other because of the tremendous complexity of nanoelectronic circuits.
Furthermore, the developed models will have to be integrated into current design tools which focus on functional
simulations. Here, the underlying models are at present static and can not reflect inconsistent and unreliable
components due to the changes over time. Hence, the difficulty consists in the integration of abstract, functional
models and the physical models. However, such a combination will allow simulating and designing reliable new
systems. This emerging field of research will include scientific approaches on the different design levels ranging
from transistor level to architectural level and system control. Feasible examples are low-level techniques for
soft-error resiliency or the target-oriented insertion of redundancy. Moreover, new system architectures with
intrinsic redundancy can efficiently be tested and enhanced (e.g. Networks-on-Chip). Finally, various
mechanisms for system control can be developed and verified. Such mechanisms include on the one hand the
avoidance and delay of failures of individual components (e.g. by load balancing or throttling), and on the other
hand the adaptation to faulty components (e.g. by adaptive routing).
Ausschreibungen für den Projektbereich "Rekonstruktion biologischer
Funktionen"
2.1.Thema: "Intelligent online simulation for life science automation"
Betreuer 1: Prof. Thurow; Institut für Automatisierungstechnik
Betreuer 2: Prof. Uhrmacher; Fakultät für Informatik und Elektrotechnik
With the increasing automation level in wet-labs the need to provide suitable mechanisms to control and to
schedule operations is increasing. On first glance this task appears similar to controlling or scheduling tasks in
other production systems and thus, traditional techniques and, given the availability of sensory inputs, more
recent techniques like symbiotic simulation can be exploited for this purpose. On second glance not only
constraints of technical devices but also constraints of biological and chemical systems that shall be analyzed
have to be taken into account. Therefore, knowledge-based technologies have to be combined with state of the
art modelling, simulation, and optimization methodologies. A seamless integration into laboratory information
systems (LIMS) is another challenge that needs to be mastered for an effective, dynamic management of wet-lab
processes.

The subject of the proposed theme is located at the intersection between computer science and life science
automation. For more background visit the web-pages of the involved research groups:
http://wwwmosi.informatik.uni-rostock.de and http://www.iat.uni-rostock.de.
The proposed theme is relevant to other research work in the department LLM (Life, Light, and Matter) that
depends on automated wet-lab experiments. For the scholarship we are looking for a candidate with a diploma in
computer science, engineering, or mathematics with very good programming skills, and interest in
interdisciplinary research work.
Literature:
H. Aydt, S.J. Turner, W. Cai, and M.Y.H. Low: An Agent-Based Generic Framework for Symbiotic Simulation
Systems, in Uhrmacher, A.M. and Weyns, D. (eds.): Agent-Systems: Simulation and Applications, Taylor and
Francis, 2009.
K. Thurow: Automation Highlights From Literature. Journal of the Association for Laboratory Automation
, Volume 8 , Issue 4 , Pages 24 – 27, 2003.
2.2.Thema: "Untersuchung der Interaktion zwischen Ionen und elektromagnetischen Feldern
an Metall-Elektrolyt-Grenzflächen"
Betreuer 1: Prof.van Rienen; Institut für Allgemeine Elektrotechnik
Betreuer 2: Prof. Ludwig; Institut für Chemie
Im Rahmen eines DFG-Projektes „Modellbildung und Simulation der Feldverteilung elektro-induzierende
Implantate“ (s. auch Graduiertenkolleg welisa www.welisa.uni-rostock.de ) werden Simulationen von
großflächigen elektrostimulativen Implantaten durchgeführt. Die Stimulation des Knochengewebes erfolgt durch
von außen eingeprägte elektromagnetische Wechselfelder. Die Simulationen basieren auf der „Theorie der
Finiten Integration“ (FIT). Dieses Verfahren hat sich zur numerischen Berechnung von Feldverteilungen in
anorganischen Umgebungen bewährt, jedoch werden wesentliche Abstraktionen vorgenommen, welche unter
Umständen für biologisch-elektrolytische Umgebungen nicht zutreffend sind.
Die elektromagnetischen Eigenschaften biologischen Gewebes resultieren aus der elektrochemischen Aktivität
auf zellulärer und molekularer Ebene. Diese Eigenschaften werden durch die mikroskopische Anatomie und den
molekularen Aufbau von Gewebe bestimmt. Auf makroskopischem Niveau kann die Antwort biologischen
Gewebes auf elektromagnetische Stimuli untersucht werden, indem gemittelte Größen für die
elektromagnetischen Eigenschaften verwendet werden. Diese werden üblicherweise ausgedrückt durch die
magnetische Suszeptibilität χm, die relative elektrische Permittivität ε und die elektrische Leitfähigkeit κ.
FIT erlaubt es, die Maxwellschen Gleichungen in einem endlichen Gebiet in diskreter Form numerisch zu lösen.
Es handelt sich dabei um eine makroskopische Modellierung. Wichtige Eigenschaften der biologischen
Materialien gehen hierbei jedoch verloren.
Abbildung 1 illustriert dieses Problem:
Während der rechte Halbraum mit einem
Metall gefüllt ist, ist der linke Bereich mit
einem leitfähigen Elektrolyt gefüllt. Die
Leitungsmechanismen sind hierbei höchst
unterschiedlicher Natur. Im Metall wird die
Leitfähigkeit durch Elektronen realisiert,
während im Elektrolyt dissoziierte Ionen als
Ladungsträger dienen. Da die Ionen aus dem
Elektrolyt nicht in das Metall eindringen
Abbildung 2: Interaktion unterschiedlich geladener Ionen an
einer Metall-Elektrolyt-Grenzfläche
können, kommt es unter Feldeinwirkung zur
Ausbildung einer Ladungsverteilung an der
Grenzschicht. Diese Ladungsdichte hat
ihrerseits einen Einfluss auf die äußeren applizierten Felder. Erschwerend kommt hinzu, dass unterschiedlich
geladene Ionen im Elektrolyt vorliegen, welche untereinander wechselwirken. Diese Prozesse können zwar
mittels Differentialgleichungssystemen beschrieben werden, jedoch können bisherige Simulationswerkzeuge
diese Prozesse nicht numerisch simulieren.

Im Rahmen des Stipendiums sollen Untersuchungen stattfinden, um die geschilderten mikroskopischen Prozesse
zu untersuchen und ihren Einfluss zu charakterisieren. Hierfür sollen eigene Simulationsroutinen entwickelt
werden, welche sowohl die elektrischen Felder als auch die Interaktion mit den unterschiedlich geladenen Ionen
abbilden können und weiterhin grundlegende chemisch-physikalische Gesetzmäßigkeiten berücksichtigen.
2.3.Thema: "Ionische Flüssigkeiten für die (temporäre) Beschichtung von Biomaterialien"
Betreuer 1: Prof. Kragl; Institut für Chemie
Betreuer 2: PD Dr. Sternberg; Institut für Biomedizinische Technik
Mit großem Erfolg werden zur Behandlung von Gefäßverengungen in allen Bereichen des menschlichen Körpers
Stents aus verschiedenen Materialien eingesetzt. Dabei handelt es sich um expandierbare röhrenförmige
Gefäßstützen, die zum Beispiel Blutgefäße offen halten. Um die Wechselwirkung mit Zellen und Geweben zu
modulieren, werden u. a. wirkstoffhaltige Beschichtungen eingesetzt. Auch für die Einbringung in den Körper
werden temporäre Beschichtungsmaterialien verwendet, um z. B. die Schädigung von Adern während des
Vorschubs zu vermindern.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll der Einsatz von biokompatiblen ionischen Flüssigkeiten sowohl als
temporäre Beschichtung als auch für die Herstellung von „Drug eluting stents“ untersucht werden.
Ionische Flüssigkeiten sind Salze mit sehr geringen Schmelzpunkten, die als neuartige Lösungsmittel,
Trennmedien, Elektrolyte oder Betriebsmittel diskutiert werden und für die Grundlagenforschung in den
Bereichen Chemie, Chemieingenieurwesen und Physik von großem Interesse sind.
Anforderungen: Abgeschlossenes Studium in Chemie, Biochemie oder Medizintechnik.
2.4.Thema: "Development of parallel Brownian dynamics algorithms for cell biological
applications"
Betreuer 1: Prof. Uhrmacher; Fakultät für Informatik und Elektrotechnik
Betreuer 2: Prof. Redmer; Institut für Physik
The last years have seen an increase of interest in micro-scale approaches to cell biological simulations, as some
biological phenomena like molecular crowding cannot be adequately treated at higher levels of abstraction.
Among those methods Brownian dynamics plays a central role. Despite improvements in existing algorithms
they remain computationally expensive which hampers simulating longer periods in time and large scale
systems. Therefore, parallel approaches appear as a promising solution. Other approaches trade accuracy for
speed to address the problem of efficiency. The suitability of these methods depends on the model, the questions
to be answered, and the available infrastructure.
Tasks of the Phd candidate will be to develop and implement suitable algorithms, to integrate them in a plug-in
based simulation framework, thus, to support also their combination, and to evaluate their performance based on
small cell biological examples. Research can built on results achieved in the research training school
dIEMoSiRiS, http://www.diemosiris.de.
The subject of the PhD is located at the interface between Physics and Computer Science and the results should
be of relevance to other research work in the department LLM that depends on methods for cell biological
simulation. For further background on the involved research groups please visit: http://www.physik.unirostock.de/statphys/
and http://wwwmosi.informatik.uni-rostock.de.
We are looking for candidates with interest in interdisciplinary work and a Diploma or MSc in Physics with a
strong background in Computer Science, or with a Diploma or MSc in Computer Science and a strong
background in Physics.
Literature:
Burrage, K., Burrage, P., Hamilton, N., and Tian, T. Compute intensive simulations for cellular models. In
Albert Y. Zomaya, editor, Parallel Computation for Bioinformatics and Computational Biology. Wiley, 2005.

Jeschke, M., Ewald, R., Park, A., Fujimoto, R., and Uhrmacher, A. M. 2008. A parallel and distributed discrete
event approach for spatial cell-biological simulations. SIGMETRICS Perform. Eval. Rev. 35, 4, 22-31, 2008.
Jeschke, M., Uhrmacher, A.M., Multi-Resolution Spatial Simulation for Molecular Crowding, in Proceedings of
the WSC’08, ACM, 2008.
Takahashi, K., Arjunan, S.N.V., Tomita, M. Space in Systems Biology of Signaling Pathways
- towards intracellular molecular crowding in silico, FEBS Letters, 579 1783-1788, 2005.
2.5.Thema: "Identifizierung und Aufreinigung von Stoffen aus heimischen Pflanzen mit
pharmakologischer Wirkung"
Betreuer 1: Prof. Kragl; Institut für Chemie
Betreuer 2: Prof. Piechulla; Institut für Biowissenschaften
Seit Jahrhunderten werden Pflanzenextrakte für die Behandlung in der Medizin eingesetzt. Z.T. werden daraus
Reinsubstanzen isoliert und oft nach weitergehender Derivatisierung als Pharmaka eingesetzt. Ebenso ist
bekannt, dass bestimmte Essgewohnheiten bzw. Nahrungsmittel präventive Wirkung haben können. Dies ist
unter anderem für Phytoestrogene nachgewiesen, die in größeren Mengen in Sojaprodukten vorkommen und im
asiatischen Raum das Risiko der Erkrankung an bestimmten Krebsarten signifikant verringern.
Im Rahmen des Projektes soll untersucht werden, ob einerseits bekannte Stoffe mit pharmakologischer Wirkung
in Pflanzen enthalten sind, die unter hiesigen klimatischen Bedingungen angebaut werden können. Hier könnten
z. B. verschiedene Phytoestrogene wie Genistein, Daidzein oder Lignane wie Matairesinol oder
Seciisolaricirsinol in Pflanzen wie Lein in Betracht gezogen werden. Bei diesen Beispielen wie auch bei den
besonders gut dokumentierten Digitalisglycosiden spielt die Glycosylierung des Aglyconteils eine wichtige Rolle
bei der Wirkung und Pharmakokinetik. Die Untersuchungen sollen daher auch diese Fragestellungen mit
einschließen. Letztendlich sollen die für analytische Untersuchungen entwickelten Methoden der Aufarbeitung
bewertet und für die präparative Gewinnung erfolgversprechender Verbindungen weiterentwickelt werden. Dies
umfasst neben klassischen Extraktionsmethoden auch moderne Verfahren der Membranfiltration und
Hybridverfahren aus mehreren thermischen Trennverfahren.
Voraussetzungen für die Projektbearbeitung sind:
- Ausbildung in Chemie, Biochemie oder Biotechnologie
- Umfassende Kenntnisse moderner Analysenmethoden, vor allem von LC/MS zur Struktruaufklärung
- Kenntnisse der Probenvorbehandlung und –aufarbeitung
2.6.Thema: "Ultrakurze Laserpulse zur Beeinflussung enzymatischer Reaktionen"
Betreuer 1: Prof. Kragl; Institut für Chemie
Betreuer 2: Prof. Lochbrunner; Institut für Physik
Die Dynamik chemischer, molekularbiologischer und katalytischer Prozesse soll untersucht werden, indem mit
Hilfe ultrakurzer Laserpulse Umgebungsvariablen sprunghaft verändert werden und die dadurch ausgelösten
Prozesse spektroskopisch mit Femtosekundenzeitauflösung beobachtet und analysiert werden. Als
Umgebungsvariablen kommen die Temperatur, die sich mit Hilfe eines ultrakurzen IR-Pulses aufheizen läßt, der
pH-Wert, der über Photosäuren wie 3-oxypyren-5,8,10-trisulfonat optisch geschaltet werden kann, und
Ionenkonzentrationen in Frage, die sich zum Beispiel aus Chelatoren freisetzen lassen. Der Effekt dieser
Veränderung der Umgebungsparameter auf die Aktivität und Selektivität von Enzymkatalysierten Reaktionen
soll an mehreren Beispielen untersucht werden. Als Enzyme werden Hydrolasen (EC-Klasse 3) und Lyasen (EC-
Klasse 4) verwendet.
Weitere Stichworte: dynamische Racematspaltung, Revershydrolyse, Wasseraktivität

2.7.Thema: " Ortsaufgelöste dynamische Lichtstreuung in der Augenheilkunde "
Betreuer 1: Prof. Guthoff; Medizinische Fakultät
Betreuer 2: Prof. Stolz; Institut für Physik
Die Presbyopie (Alterssichtigkeit) steht in enger Verbindung mit dem Verlust der Akkommodationsfähigkeit und
den viskoelastischen Eigenschaften der humanen Augenlinse. Mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden
Techniken ist eine in vivo Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften nicht oder nur sehr eingeschränkt
möglich. Ziel des Promotionsprojektes ist die Entwicklung eines in vivo Verfahrens zur ortsaufgelösten
Bestimmung der elastischen Eigenschaften der Linse und weiteren Strukturen im menschlichen Auge. Dies
dient dem Verständnis
• des natürlichen Alterungsprozesses der Linse des Auges
• der Einflüsse von unterschiedlichen Linsentrübungen auf die elastischen Eigenschaften der Linse
• zur Erfassung von Kapselsackveränderungen nach Katarakt-Chirurgie und deren Wechselwirkung mit
dem Nachstar
Dazu ist es erforderlich die etablierten Techniken der Mikroskopie am Auge im Hinblick auf die Untersuchung
der spektralen Struktur und ihrer Dynamik durch neue Meßverfahren der dynamischen Lichtstreuung und
insbesondere der Brillouinspektroskopie zu erweitern.
Das Arbeitsprogramm der Promotionsarbeit baut auf den oben genannten Zielen auf und ist auf drei Jahre
ausgelegt. Die wichtigsten Arbeitsschritte sind:
1. Entwicklung der ortsauflösenden Brillouinspektroskopie und Erprobung an Modellstrukturen unter
Nutzung verschiedener spektroskopischer Techniken
2. Aufbau eines Meßplatzes zur Erprobung der entwickelten Messtechniken an aloplastischen und
biologischen Modellstrukturen
3. Bildgebende Auswertung der entwickelten Techniken und Vergleich dieser mit der linearen und
nichtlinearen Mikroskopie
Fachgebiete: Optik, Augenheilkunde
Arbeitsrichtung: Lichtstreumethoden, Bildgebung, Diagnostik
Ausschreibungen für den Projektbereich "Atomare und molekulare Prozesse"
3.1.Thema: "Einfluss von Hitze auf Zusammensetzung und Struktur organischer
Bodensubstanzen: Entwicklung analytischer Methoden und Erforschung der ökologischen
Auswirkungen"
"Impact of heat on composition and structure of soil organic matter: development of
analytical methods and investigation of ecological impacts "
Betreuer 1: Prof.Leinweber; Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät (Institute for Land Use)
Betreuer 2: Prof.Zimmermann; Analytische Chemie (Institute for Chemistry)
Der Einfluss von Feuer auf Ökosysteme und speziell Böden ist aufgrund des Klimawandels ein hochaktuelles
Forschungsgebiet. Einerseits nehmen mit der globalen Erwärmung Häufigkeit und Umfang von
Vegetationsbränden zu, andererseits gibt es die Auffassung, dass pyrolysierte Biomasse aufgrund langsameren
Abbaus im Boden eine bedeutende Senke für atmosphärisches CO2 sein könnte (Lehmann, 2007). Eine sichere
chemisch-analytische Erfassung dieses sogenannten „black carbon“ vor dem Hintergrund der nativen
organischen Bodensubstanzen und anthropogener Einträge von Ruß, Kohlestäuben u.a. ist ein noch nicht
gelöstes Forschungsproblem.

In der Promotion werden feuer- bzw. hitzebedingte Veränderungen in Zusammensetzung und Struktur
organischer Bodensubstanzen erforscht. Zunächst sollen massenspektrometrische Methoden erarbeitet werden,
um diese sicher von anderen, vornehmlich gleichfalls aromatischen, C-Pools in Böden und der Umwelt
abgrenzen zu können. Ein Teilziel ist die Feststellung der Erfassungsgrenze derartiger hitzebedingter
Veränderungen, die bekanntermaßen im Boden mit zunehmender Tiefe abnehmen. Die anzuwendenden und auf
dieses Problem zu optimierenden Analysentechniken umfassen Pyrolyse-Feldionisation Massenspektrometrie
(Py-FIMS) und synchrotron-basierte Röntgenabsorptionsspektroskopie (C- und N-XANES) (AG Leinweber;
Leinweber et al., 2007). Weiterhin kommen Kopplungen von Pyrolysetechniken und Thermischer Analyse (z.B.
Thermogravimetrie) mit Photoionisations-Massenspektrometrie (SPI- bzw. REMPI-MS) sowie mit GC/MS-
Analytik und ggf. ein beantragtes FT-ICRMS zum Einsatz (AG Zimmermann; Streibel et al., 2006; Saraji-
Bozorgzad et al., 2008). Nach Etablierung analytischer Standards werden die Auswirkungen von
Vegetationsbränden auf Stoffumsetzungen im Boden an Laborversuchen und Beispielen aus der Landschaft
erforscht, um klimatische und ökologische Auswirkungen von Vegetationsbränden besser bewerten zu können.
english:
The impact of fire on ecosystems and soils is an acutual area of research because frequency and severity of
wildfires increase with global warming. On the other hand, it is believed that pyrolysed biomass may be an
important sink for atmospheric CO2. This is concluded from the slower microbial decomposition of charred
biomass in soil (Lehmann, 2007). Until recently, it is a challenge for analytical chemistry to determined and
quantify the so-called „black carbon“ from charred biomass in a matrix of native soil organic matter and
anthropogenic emissions of soot, coal dusts etc.
The proposed PhD will investigate how heat and fire alter the composition and structure of soil organic matter.
First, mass spectrometric methods will be developed to distinguish these heat-derived organic matter from other,
similarly aromatic C-pools in soil and other compartments of the environment. One objective is determine the
detection limits for heat-induced changes in soil organic matter composition and structure. The analytical
methods at hand which shall be optimised to solve this analytical problem involve pyrolysis field ionisation mass
spectrometry (Py-FIMS) and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy (C- und N-XANES)
(Workgroup, P. Leinweber; Leinweber et al., 2007). Furthermore, the research will be based on couplings of
analytical pyrolysis techniques and thermal analyses (e.g. thermogravimetry) with photoionisation-mass
spectrometry (SPI- and REMPI-MS) as well as with GC/MS-techniques (Workgroup R. Zimmermann; Streibel
et al., 2006; Saraji-Bozorgzad et al., 2008). Possibly a new FT-ICRMS will be used in this research. Following
the establishing of analytical standards, the impact of wildfires on organic matter transformations will be
investigated in laboratory experiments and examples from various landscapes. The general aim is to get a better
insight into the climatic and ecological effects of wildfires.
More information
http://www.auf.uni-rostock.de/ibp/en/index.html (AG Leinweber)
http://www.chemie.uni-rostock.de/atu/tc/zimmermann/index.htm (AG Zimmermann)
Lehmann, J. A handfull of carbon. Nature 447 (2007), 143-144
Leinweber, P., J. Kruse, F.L. Walley, A. Gillespie, R.I.R. Blyth, T. Regier. N K-edge XANES – An overview of
reference compounds used to identify ‘unknown’ organic nitrogen in environmental samples. Journal of
Synchrotron Radiation 14 (2007) 500-511.
Streibel, T., Weh, J., Mitschke, S., Zimmermann, R. Thermal Desorption/Pyrolysis coupled with photoionization
time-of-flight Mass spectrometry for the analysis of molecular organic compounds and oligomeric and polymeric
fractions in urban particulate matter. Analytical Chemistry 78 (2006) 5354-5361.
Saraji-Bozorgzad, M., Geissler, R.,Streibel, T., Mühlberger, F., Sklorz, M., Kaisersberger, E., Denner, T.,
Zimmermann R. Thermogravimetry coupled to single photon ionization quadrupole mass spectrometry: a tool to
investigate the chemical signature of thermal decomposition of polymeric materials. Analytical Chemistry 80
(2008) 3393-3403.
3.2.Thema: "2-dimensionale CARS-Spektroskopie komplexer Systeme"
Betreuer 1:Prof.Ludwig; Institut für Chemie
Betreuer 2:Prof. Lochbrunner; Institut für Physik

Komplexe Materialsysteme zeichnen sich durch die Vernetzung mehrerer molekularer Komponenten aus. Um zu
verstehen, wie sich Materialstruktur und -Eigenschaften aus diesen Komponenten ergeben, sollen mit 2dimensionaler
CARS (coherent antistokes Raman scattering) -Spektroskopie die Konformationen der
Komponenten, Nahordnung, Strukturmotive und Bindungsnetzwerke analysiert werden. Die Interpretation der
Spektren erfolgt dabei anhand von Molekulardynamiksimulationen und Frequenzanalysen. Als Modellsysteme
werden zunächst kleine Biomoleküle und Polymere betrachtet.
3.3.Thema: "Bildungs- und Zerfallsmechanismen molekularer Cluster-Verbindungen"
Betreuer 1:Prof.Köckerling; Institut für Chemie
Betreuer 2:Prof.Lochbrunner, Institut für Physik
Molekularere Cluster-Verbindungen früher Übergangsmetalle stellen den Ausgangspunkt einer Klasse neuer,
technologisch interessanter Materialien dar. In dem geplanten interdisziplinären Projekt sollen die Bildungs- und
Zerfallsmechanismen solcher Cluster-Verbindungen (AK Prof. Köckerling, Institut für Chemie) mit Hilfe der
ultraschnellen Femtosekunden-Spektroskopie (AK Prof. Lochbrunner, Institut für Physik) untersucht werden. Sie
erlaubt es, die fundamentalen Schritte von Substanzenveränderungen und chemischen Reaktionen zu
analysieren. Hiervon erwarten wir Beiträge zum Verständnis der Bildungsreaktionen und der Eigenschaften von
Metall-Legierungen, da die Cluster-Verbindungen molekulare Ausschnitte aus intermetallischen Phasen
enthalten.
3.4.Thema: "Photodynamik funktioneller Chromophore"
Betreuer 1:Prof. Lochbrunner; Institut für Physik
Betreuer 2:Prof. Langer; Institut für Chemie
Organische Materialien haben ein hohes Anwendungspotential in der Photonik, wie z. B. die rasante
Entwicklung von organischen Leuchtdioden zeigt. Dabei kommt den photodynamischen Eigenschaften der
eingesetzten Chromophore eine Schlüsselrolle zu. Im Rahmen des Projektes sollen diese für substituierte
Aromaten mit Hilfe der Femtosekundenspektroskopie (AG Lochbrunner) bestimmt und durch Synthese
unterschiedlicher Verbindungsklassen und Variation der Substitutionsmuster (AG Langer) optimiert werden.
Dabei wird eine große Bandbreite unterschiedlicher Substanzen, wie beispielsweise Tetraarylhexaza-acridine
und –anthracene, Oligoacene oder Biaryllactone, untersucht und eine breite Palette moderner physikalischer
Techniken genutzt.
3.5.Thema: "Analyse von Aerosolen und Partikeln in Labor und Atmosphäre"
Betreuer 1:Prof. Lübken (IAP);Institut für Atmosphären Physik
Betreuer 2:Prof. Meiwes-Broer; Institut für Physik
3.6.Thema: "Nachweis volatiler organischer Substanzen im Atemgasüber direkte
Photionisierungs-Massenspektrometrie"
Betreuer 1:Prof. Zimmermann; Analytische Chemie
Betreuer 2:Prof. Schubert MEF (Abteilung für Anästhesiologie und Intensivmedizin)

Arbeitsgruppen: Die Arbeitsgruppe „Analytische Chemie“ (Prof. Dr. Zimmermann, MNF) verfügt über eine
Kernkompetenz im Bereich der (selektiven) Photoionisierung gekoppelt mit der direkten Massenspektrometrie
sowie dem Einsatz der Methoden zur kontinuierlichen Analytik organischer Spurenverbindungen. Entsprechende
Lichtquellen zur Photoionisierung (abstimmbare Laser zur Optimierung des REMPI-Prozesses) sowie
elektronenstrahlgepumpte Excimerlampen (VUV-Lampen mit unterschiedlicher Wellenlänge für SPI) sind
ebenso wie die erforderlichen Flugzeitmassenspektrometer in der Arbeitsgruppe vorhanden und stehen für die
Durchführung der Arbeit zur Verfügung. Die Arbeitsgruppe „Atemgas“ an der Abteilung für Anästhesiologie
und Intensivmedizin (PD Dr. Jochen Schubert, MEF) verfügt über umfangreiche Erfahrungen im Bereich des
Nachweises volatiler Biomarker bei klinischen und tierexperimentellen Studien und im Bereich der
physiologischen Zusammenhänge zwischen Atemgas- und Blutmarkern. Die interdisziplinäre Betreuung des
Doktoranden, der Zugang zu aktuellsten Techniken, einem physiologischen Großtiermodell und den Patienten
wird durch erfahrene Wissenschaftler und Ärzte beider Arbeitsgruppen sichergestellt.
Hintergrund: Volatile organische Substanzen im Atemgas haben ein enormes Potential für die Entwicklung
neuer diagnostischer Methoden. Zahlreiche Zusammenhänge zwischen diesen Biomarkern in der Atemluft und
physiologischen und pathophysiologischen Zuständen (z.B. Krebs, Organversagen, oxidativer Stress) am
Patienten sind in der letzten Zeit beschrieben worden. Atemgasmarker lassen sich dabei nicht nur für die
Erkennung von Krankheiten einsetzen, sondern können auch bei der Therapiekontrolle wichtige Hinweise
liefern.
Dabei sind nicht nur endogene Substanzen von Interesse sondern z.B. auch Medikamente, deren
Blutkonzentrationen über die Atemluft abgebildet werden können. Da die Atemgasmarker nur in sehr geringen
Konzentrationen (ppb - ppt) vorkommen, müssen bisher aufwändige diskontinuierliche Verfahren, wie z.B.
Festphasenextraktion für die Präkonzentration eingesetzt werden. Weiter erschwert wird der Nachweis durch
Kontaminationen im klinischen Bereich. Ein quantitativer Nachweis ist daher erst nach Auftrennung (GC) und
massenspektrometrischer (MS) Identifikation möglich. Eine direkte und kontinuierliche Messung spezieller
Markerverbindungen könnte wichtige Ergebnisse für den Forschungsbereich und insbesondere im Hinblick auf
die Entwicklung neuer diagnostischer Methoden in der Medizin liefern.
Promotionsarbeit: Ziel der interdisziplinären Promotionsarbeit ist die Entwicklung und Anwendung spezieller
Photoionisierungstechniken (REMPI, SPI) in Kombination mit direkter Massenspektrometrie zum selektiven und
empfindlichen Nachweis ausgewählter Atemgasmarker im physiologischen Tiermodell und am Menschen. Dabei
wird die Multiphotonenionisierung (REMPI) als hochselektives Verfahren, z.B. zum Nachweis aromatischer
Verbindungen wie dem Anästhetikum Propofol bis in den ppt-Bereich, und die die Einphotonenionisierung (SPI)
als universelle Ionisierungsmethode eingesetzt werden. Für die Optimierung der Massenspektrometer und die
Anwendung am Tiermodell und am Menschen wird Expertise aus dem naturwissenschaftlichen und dem
medizinischen Bereich benötigt, so dass die Betreuung der Promotion interdisziplinär von beiden Arbeitsgruppen
erfolgt.
3.7.Thema: "Bindung chlorierter Umweltchemikalien an Bodenoberflächen:
chromatographische Messung und molekular-dynamische Simulation"
"Binding of chlorinated environmentally active chemicals to soil surfaces: Chromatographic
measurements and molecular dynamics simulations"
Betreuer 1: Prof. Kühn; Institut für Physik

Betreuer 2: Prof. Leinweber; Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät
Die Aufklärung molekularer Details umweltrelevanter Prozesse auf der Grundlage von atomistischen
Simulationen befindet sind erst in den Anfängen. Ein besonderes Problem ist die Persistenz und Ubiquität
chlorierter Chemikalien, z.B. von Pestiziden, in der Umwelt, die zu unerwünschten Anreicherungen und
negativen Auswirkungen auf Organismen führt. Bekannt ist, dass sie auf unterschiedliche Weise vor allem an
organischen Bodensubstanzen gebunden und damit vor mikrobiellem Abbau geschützt sein können. Unbekannt
sind aber die molekularen Grundlagen unterschiedlicher Bindungssituationen mit mineralischen und organischen
Bodenbestandteilen. Erkenntnisfortschritte wurden in der Vergangenheit am Rostocker Institut für Bodenkunde
bereits durch die Kombination von klassischen physiko-chemischen Ad- und Desorptions- und
Kinetikexperimenten mit molekularer Modellierung erreicht (z.B. Thiele-Bruhn et al., 2004).
Während der Promotion soll untersucht werden, welche Bindungen ausgewählte relevante chlorierte Pestizide
mit Atomen der Minerale bzw. funktionellen Gruppen oder Strukturen der organischen Bodensubstanzen
ausbilden. Dazu werden zunächst Kinetik-Experimente zur Ad- und Desorption mit Variation der
Molekülstrukturen der Umweltchemikalien einerseits und der sorptiven Oberflächen andererseits durchgeführt
und ausgewertet. Kernstück der Promotion wird die atomistische Simulation einer repräsentativen Auswahl von
Systemen sein. Dazu sind molekulardynamische Rechnungen auf der Grundlage von quantenmechanischen und
molekular-mechanischen Hybridverfahren durchzuführen (z.B. Yan et al., 2008). Die dadurch verfügbaren
Ergebnisse, z.B. zur Diffusion von chlorierten Molekülen oder zur Stabilität von Bindungsmotiven, werden zur
Interpretation experimenteller Befunde herangezogen, was letztlich zur Entwicklung eines molekularen Bilds
dieser wichtigen Umweltprozesse führen soll.
english:
Unraveling the molecular details of environmentally relevant processes on the basis of atomistic simulations is
an emerging interdisciplinary reserach area. Due to the extensive use of pesticides chlorinated chemicals are
ubiquitous in the environment. They are highly persistent (persistent organic pollutants = POP) and are found
enriched in organisms where they may cause harmful reactions. It is well-appreciated that POP are bound to
organic soil matter in a way such that they are protected from microbiological degradation. However, the
molecular basis of these processes, that is, the binding situation to the various mineral and organic constituents
of soil is largely unknown. Some progress in this respect has been obtained in the Rostock Institute of Soil
Science by combining sorption experiments with molecular modelling (e.g. Thiele-Bruhn et al., 2004).
The proposed dissertation project will focus on the study of the interaction of selected chlorinated pesticides with
mineral surfaces as well as functional groups and structures of soil organic matter. The point of departure are
experiments on the kinetics of adsorption and desorption of various combinations of molecular components of
environmentally active chemicals and target surfaces. The central aspect of the project are atomistic simulations
of a representative number of these systems. This will involve carrying out molecular dynamics calculations on
the basis of quantum mechanics/molecular mechanics hybrid methods (e.g. Yan et al., 2008). The obtained
results on, for example, the diffusion of chlorinated species or the stability of binding motifs, shall be used for
the interpretation of the experiments. The combined efforts shall lead to the development of a molecular picture
of these environmentally important processes.
Vorarbeiten:
Thiele-Bruhn, S. T. Seibicke, H.-R. Schulten, P. Leinweber, „Sorption of sulfonamide pharmaceutical antibiotics
on whole soils and particle-size fractions: batch experiments and chemical modelling“, Journal of Environmental
Quality 33, 1331 (2004).
Y. Yan. G. M. Krishnan, O. Kühn, „QM/MM Lineshape Simulation of the Hydrogen-bonded Uracil NH
Stretching Vibration of the Adenine:Uracil Base Pair in CDCl3“, Chemical Physics Letters 464, 230 (2008).
More information:
http://www.physik.uni-rostock.de/quantendynamik/ (AG Kühn)
http://www.auf.uni-rostock.de/ibp/en/index.html (AG Leinweber)

3.8.Thema: " Entwicklung mathematischer und computergestützter Methoden in der
Systembiologie"
„Development of matheamtical and computer-based methods in systems biology“
Betreuer 1: Prof. Wolkenhauer; Fakultät für Informatik und Elektrotechnik
Betreuer 2: Prof. Redmer; Institut für Physik
Die Systembiologie ist eine schnell wachsende Disziplin die eine zunehmend wichtige Rolle in den
Lebenswissenschaften spielt. Es ist ein interdisziplinärer Ansatz in dem biologische Fragestellungen, zu Zellen
und deren Interaktion mit der Umgebung, mit Hilfe von mathematischer Modellierung und Computersimulation
untersucht werden. Dieses Forschungsgebiet hat eine Vielzahl von Anwendungen in der Biomedizin und
Biotechnologie.
Die zu entwickelnden Modelle sind zumeist nichtlineare Differentialgleichungen oder Stochastische Prozesse. In
dem angebotenen Promotionsthema geht es um die Identifikationen von Modellstrukturen aus experimentellen
Daten, die formale Analyse von Systemeigenschaften und die Simulation der Modelle zur Vorhersage
biologischer Funktionen.
Der Kandidat für dieses Projekt sollte einen Abschluss in der Physik, Mathematik oder der Regelungstechnik
haben. Ein starkes Interesse an interdisziplinärer Forschung soll vorhanden sein.
Professor Olaf Wolkenhauer
Systems Biology & Bioinformatics Research Group
www.sbi.uni-rostock.de
Professor Ronald Redmer
Statistical Physics Research Group
www.physik.uni-rostock.de/statphys
english:
Systems Biology is a rapidly growing discipline that is playing an increasingly important role within the life
sciences. It is an interdisciplinary approach in which biological questions, related to cells and their interaction
with the enviroment, are studied with the help of mathematical modelling and computer simulations. This
research field has various applications in biomedicine and biotechnology.
The models developed are commonly nonlinear differential equations or stochastic processes. The PhD topic
offered deals with the identification of model structures from experimental data, the formal analysis of system
properties and the simulation of models for the prediction of biological function.
The candidate fort his project should have a degree in physics, mathematics or control engineering. A strong
interest in interdisciplinary research is necessary.
Systems Biology: www.sbi.uni-rostock.de
Bongard, J. and Lipso, H. (2007) Automated reverse engineering of nonlinear dynamical systems. PNAS, June
12, Vol. 104, No. 24, 9943-9948
Sontag, E. Kiyatkin, A. and Kholodenko, B.N. (2004) Inferring dynamic architecture of cellular networks using
time series of gene expression, protein and metabolite data. Bioinformatics, Vol. 20, No. 12, 1877-1886
Gutenkunst, R.N., Waterfall, J.J., et al. (2007) Universally Sloppy Parameter Sensitivities in Systems Biology
Models. PLoS Computational Biology, 3(10):e189
3.9.Thema: " Neuartige organisch-chemische Wasserstoffbrückensysteme "
Betreuer 1: Prof. Kühn; Institut für Physik

Betreuer 2: Prof. Langer; Institut für Chemie
Organische Moleküle sind von herausragender Bedeutung im Bereich der Materialwissenschaften und der
pharmazeutischen Medizin. Dabei kommen Wasserstoffbrückenbindungen (intra- und intermolekular) eine
wichtige Bedeutung zu. Im Rahmen des Projektes sollen neuartige Moleküle, die als Wasserstoffbrückenbildner
fungieren hergestellt und spektroskopisch analysiert werden (AG Langer). Durch quantenmechanische
Rechnungen (AG Kühn) auf hohem Niveau soll ein Verständnis dieser Bindungen gewonnen werden. Bei der
Entwicklung der Synthese neuartiger Moleküle mit Wasserstoffbrückenbindungen gehen Theorie und Praxis
Hand in Hand. Langfristiges Ziel ist die gezielte computergestützte Synthese neuartiger
Wasserstoffbrückenbildner, deren Eigenschaften durch die Theorie vorhergesagt werden.
4.0. Thema: “Gas exchange at the sea water/air interface and impact by film formation”
Betreuer 1: Prof. Dr. Ralf Ludwig, Institute of Chemistry, MNF
Betreuer 2: Dr. B. Schneider, Leibniz-Institute for Baltic Sea Research
The aim of this project is a better understanding of gas
exchange at the sea water/air interface. Gas exchange is
crucial for our climate and the quality of air. Important bulk
and surface properties for this process will be studied as
function of salt concentration and film formation. Molecular
dynamics simulations are a suitable method to reproduce
measured properties and to explore basic effects. They will
provide a molecular picture of the surfaces and allow an
interpretation of the macroscopic properties and the
development of models as well. The most important properties
which will be measured und simulated are diffusion, viscosity,
surface tension, and solubility.
Figure 1: Rare gas atoms and water molecules leaving the salt
solution.
These combined experimental and simulation studies will allow answering most relevant questions: How is the
surface tension of sea water influenced by the type and concentration of salt? How is the gas exchange
determined by film formation and the composite organic film? Both quantities, the film formation and the gas
exchange are also sensitive for temperature changes. This interdisciplinary project will be tackled in
collaboration with the Leibniz Institute for Baltic Sea Research Warnemünde.
4.1. Thema: “Cryoprotection: Understanding the influence of additives on the structure and
dynamics of water”
Betreuer 1: Prof. Dr. Ralf Ludwig, Institute of Chemistry, MNF
Betreuer 2: Prof. Dr. Jan Gimsa, Institute of Biology, MNF
Cryoprotectants are substances preventing biological tissue from freezing damage. Animals living in extremely
cold regions generate sugars or antifreeze proteins in their bodies to prevent ice formation. Some of the

cryoprotectants are also used in medicine for preserving embryos or organs for transplant. Meanwhile
cryoprotectants have a broad range of application in industry. Although many substances such as
dimethylsulfoxide, glycols and sugars are used as cryoprotectants, it is still not clear how they exactly prevent
water from freezing.
Figure 1: The cryoprotectant ethylene glycol
disrupts the water structure and prevents it
from freezing to ice.
In principle molecular dynamics simulations
present an appropriate tool for studying the
structure and dynamics of water and aqueous
solutions over broad temperature ranges from
ambient temperature down into the deeply
supercooled region. The tetrahedricity
measure and the solubility of apolar
molecules are sensitive probes for detecting
the water structure. It is the aim of this project
to study the influence of cryoprotecting
substances onto the water network and to
understand which function of the
cryoprotectors finally prevents water from freezing. On the basis of these results it is planned to propose “tuned”
molecular additives. It is intended to apply these designed cryoprotectants in the field of biology and medicine.