Eine Chemikerin und ihre Kinder

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Renana Gershoni-Poranne mit dem Modell eines Kohlenstoffrings. ( Peter Rüegg/ETH

Renana Gershoni-Poranne mit dem Modell eines Kohlenstoffrings. ( Peter Rüegg/ETH Zürich)

Renana Gershoni-Poranne hat in diesem Jahr ein Branco-Weiss-Stipendium erhalten. Die Chemikerin will mit dem Forschungsgeld bisher unbekannte organische Verbindungen kreieren, um eine neue Art elektronischer Geräte möglich zu machen.

Im Büro von Renana Gershoni-Poranne ist es sehr geräumig, sehr aufgeräumt und sehr persönlich. An der Wand neben ihrem Schreibtisch hängen Zeichnungen, die ihre zwei Buben, fünf und neun Jahre alt, für sie gemacht haben. Eines der Bilder ähnelt einem Werk von Picasso, ein zweites ist wohl eine charmante Nachbildung von van Goghs Sonnenblumen. Und dann hängt da noch ein bunter Fussabdruck von Gershonis Jüngstem. «Ich liebe mein Büro», sagt die 35-jährige Chemikerin, setzt sich hinter ihren grossen Eckschreibtisch und erzählt gleich weiter über die vielen Glückwunschkarten, die sie von Kollegen bekommen und auf der anderen Seite des Raums in einem Regal aufgestellt hat. Gershoni-Poranne spricht so schnell, dass man sie kaum zu unterbrechen wagt.

Die Spezialistin für physikalisch-organische Chemie ist eine von sechs Forscherinnen und Forschern, die diesen Sommer ein Branco-Weiss-Stipendium erhalten haben. Das mit einer halben Million Franken dotierte Stipendium verschafft den jungen Forschenden die Möglichkeit, grosse und aussergewöhnliche Projekte in Angriff zu nehmen - und an jenen Themen zu arbeiten, die sie am wichtigsten finden. Auch Gershoni-Poranne hat Grosses vor: Sie will bisher unbekannte organische Verbindungen entwickeln, die in Zukunft elektronische Geräte mit verbesserten und heute noch unvorstellbaren Eigenschaften möglich machen sollen.

Die besten aus 1063 möglichen Verbindungen

Die meisten elektronischen Schaltkreise und Apparate basieren heute auf Silizium. Doch mit dem anorganischen Halbmetall stossen Entwickler rasch an Grenzen was die Effizienz von Geräten und das Design von Bauteilen angeht. Dagegen schlummert in Elektronik aus organischen, elektrisch leitfähigen Polymeren mehr Potenzial, denn sie können extrem dünn, biegsam und transparent hergestellt werden.

«So sind Geräte denkbar, die im Vergleich zu heute viel raffiniertere Aufgaben übernehmen», sagt Gershoni-Poranne. Zum Beispiel Displays auf Fensterscheiben, die aufgrund ihrer Transparenz dennoch Licht hindurchlassen. Oder Scheiben, die tagsüber Licht absorbieren, um dieses in der Nacht wieder abzugeben und wie eine Lampe einen Raum zu beleuchten. Oder grossflächige Photovoltaik-Folien, die auf Rollen aufgezogen viel leichter zu transportieren wären als heutige Solarzellen aus Silizium. Ausserdem sind gewisse organische Bauteile biokompatibel und könnten als Biosensoren im Inneren des Körpers getragen werden. Organische Bauteile sind zudem biologisch abbaubar und haben deshalb eine günstigere Umweltbilanz.

Schon heute gibt es erste Produkte mit organischer Elektronik, beispielsweise biegsame Displays. Doch: «Es gibt noch so viele mögliche chemische Verbindungen, die wir nicht kennen und deren Eigenschaften extrem nützlich sein könnten», sagt Gershoni-Poranne. Schaut man sich nur schon eine begrenzte Zahl von organischen Elementen an - wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Chlor - und wie sie in kleinen Molekülen kombiniert werden könnten, dann ist in der Theorie eine unvorstellbar hohe Anzahl Verbindungen möglich: Nämlich geschätzte 1063 Verbindungen, also eine Eins mit 63 Nullen.

«Würde man von jeder dieser möglichen Verbindungen nur 10 Milligramm herstellen, bräuchte es dafür mehr Atome als es im Universum gibt», veranschaulicht Gershoni-Poranne diese gewaltige Zahl. Und merkt an, dass dies nur einem geringen Anteil der Chemiesphäre entspreche, also der Gesamtheit der Moleküle, die existieren oder hergestellt werden können. Einige, wenn nicht gar die meisten der Verbindungen, die sie untersuchen und entwickeln möchte, sind in dieser Schätzung gar nicht einbegriffen.

Ihre Forschung findet darum nicht im Chemielabor statt, sondern im Computer. Mithilfe von mathematischen Modellen analysiert und beschreibt sie das Verhalten von sogenannt aromatischen Verbindungen. Moleküle dieser Stoffklasse haben einen ringförmigen Bestandteil mit einer speziellen, überlappenden Verteilung der Elektronen aus den einzelnen Atomen. Es gibt verschiedene Arten solcher zyklischer, aromatischer Strukturen. Verbindungen, die solcheenthalten, sind besonders stabil und können elektrischen Strom leiten. Darum besteht organische Elektronik vor allem aus Molekülen, die auf aromatischen Verbindungen aufbauen.

Umgekehrtes Design

Noch weiss man wenig darüber, welche strukturellen Merkmale in aromatischen Verbindungen welche Eigenschaft erzeugen. Genau das will Gershoni-Poranne nun ändern. Sie will ein System für sogenanntes inverses Design für aromatische Moleküle aufbauen. Inverses Design bedeutet, dass man zunächst entscheidet, welche Eigenschaften man sich an einer Substanz wünscht, und dann ermittelt, welche chemische Struktur dafür nötig ist. Erste Erkenntnisse hat Gershoni-Poranne in den letzten paar Jahren schon gewonnen, zuerst als Postdoktorandin an der ETH und seit zwei Jahren als Oberassistentin.

Sie steht auf, geht um den Schreibtisch herum und steuert auf die Wand neben der Bürotür zu, wo einige Poster mit neusten wissenschaftlichen Resultaten hängen, auch solche ihrer Studierenden. Die Chemikerin nennt sie liebevoll ihre «akademischen Kinder».

Sie erläutert jedes Poster kurz und rasant und vergisst auch nicht, bei jedem Projekt zu erwähnen, mit wem sie dafür zusammengearbeitet hat. So entwickelte sie jüngst zusammen mit einem Kollegen ein Modell, mit dem sich die Eigenschaften grösserer aromatischer Verbindungen aufgrund von kleineren Baublöcken voraussagen lassen. Zudem entdeckten sie und ihre Kollegen vor kurzem einen Zusammenhang zwischen der aromatischen Struktur einer Verbindung und deren HOMO-LUMO-Energieunterschied. Diese Eigenschaft hat mit der Energie der Elektronen zu tun und bestimmt beispielsweise, wie effizient Solarzellen aus einem bestimmten Material sein können.

Auf dieser Arbeit will Gershoni-Poranne nun aufbauen. Ihr Ziel ist die Entwicklung einer detaillierten Datenbank für aromatische Verbindungen, welche die Struktur der Moleküle mit deren Eigenschaften verbindet. Diese Datenbank will sie in einem zweiten Schritt für das Training von Deep-Learning-Algorithmen benutzen, sogenannten generativen Modellen. Diese sollen daraus ganz neue chemische Verbindungen generieren - mit spezifischen, vorher festgelegten Eigenschaften. «Seit rund einem Jahr plane ich dieses Projekt», erzählt die Chemikerin. Nun, mit dem Forschungsgeld des Branco-Weiss-Stipendiums konnte sie eine Doktorandin einstellen und mit ihr zusammen das Projekt in Angriff nehmen.

Mal Königin der Nacht, mal Einhorn

Schwer vorstellbar, dass Gershoni-Poranne, die in ihrer Forschung derart in ihrem Element scheint, einst eine ganz andere Karriere in Betracht gezogen hat, nämlich eine Gesangskarriere als Sopranistin. «Aber nur für etwa drei Sekunden», ruft sie lachend aus. Sie habe während ihrer Militärzeit im Orchester der israelischen Streitkräfte, dem IDF-Orchestra, gesungen, erzählt sie, sei viel aufgetreten. Und sie war gut: Beispielsweise hat sie die Arie der Königin der Nacht aus Mozarts Zauberflöte später auch an Ehrendoktorfeiern gesungen. Aber der US-amerikanisch-israelischen Doppelbürgerin wurde rasch klar, dass ihr ohne die Wissenschaft etwas fehlen würde. «Ein Teil meines Gehirns war damals arbeitslos, das war nicht gut für mich.» Indessen ist das Singen noch immer ein wichtiger Teil ihres Lebens, weiterhin nimmt sie regelmässig Gesangsstunden und tritt gelegentlich auf.

Daneben engagiert sich Gershoni-Poranne bei «WiNS», einem Frauennetzwerk mit dem Ziel, Frauen in den Naturwissenschaften zu fördern. WiNS organisiert beispielsweise Podien und Seminare, die Geschlechterstereotype thematisieren oder Erfolgsfaktoren für Frauen in wissenschaftlichen Karrieren weitergeben. «Hier aktiv zu sein, ist mir wichtig», sagt Gershoni-Poranne, «denn ich bin davon überzeugt, dass es für Frauen noch immer schwieriger ist als für Männer, in der Forschung Karriere zu machen und nach wie vor gibt es viel zu wenige Professorinnen.»

Auch für sie selbst sei es nicht einfach, Forschung und Familie unter einen Hut zu bringen. «Als ich Postdoktorandin war, sagte mir eine Kollegin einmal, ich sei das Einhorn hier, weil ich die einzige war, die schon Kinder hatte.» In Israel hingegen sei es nichts Aussergewöhnliches, dass man bereits während der Doktorarbeit eine Familie gründet. Denn dort doktorieren Wissenschaftler später, weil alle, Frauen wie Männer, zuvor zwei bis drei Jahre Militärdienst leisten müssen.

Doch gerade am Anfang ihrer Zeit an der ETH hätte sie sich unsicher gefühlt, wenn sie manchmal um vier Uhr nachmittags gegangen sei, um ihre Kinder von der Kita abzuholen. Sie und ihr Ehemann, der auch an der ETH forscht, wechseln sich damit jeweils ab. «An seinen Tagen kann ich dafür gut bis zehn oder elf Uhr abends und an den Wochenenden arbeiten.» Das klingt anstrengend. «Ja, das ist es», bestätigt Gershoni-Poranne. Dennoch würde sie es nicht anders haben wollen. Und, das betont die Forscherin, sie findet es gut, dass sie ihren beiden Buben vorleben kann, dass eine Wissenschaftskarriere eben nicht nur etwas für Männer ist - und dass sie und ihr Mann ihren Kindern als Beispiel dienen, wie zwei Karrieren möglich werden können.

Literaturhinweis

Finkelstein P, Gershoni-Poranne R. An Additivity Scheme for Aromaticity: The Heteroatom Case. ChemPhysChem (2019). doi: 10.1002/cphc.201900128

Gershoni-Poranne R, Rahalkar A, Stanger A. The predictive power of aromaticity: quantitative correlation between aromaticity and ionization potentials and HOMO-LUMO gaps in oligomers of benzene, pyrrole, furan, and thiophene. Physical Chemistry Chemical Physics (2018). doi: 10.1039/C8CP02162G

Branco Weiss Lecture 2019 «What is human?»

In der zweiten Branco Weiss Lecture werden vier Fellows - ldse Heemskerk, Marco Hutter, Tanya Latty und Anna-Sophia Wahl - Themen diskutieren, die von künstlichen menschlichen Embryonen über künstliche Intelligenz bis hin zur erstaunlichen kollektiven Intelligenz von sozialen Insekten reichen. Anschliessend diskutieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über das Thema, moderiert von Detlef Günther, Vizepräsident Forschung und Wirtschaftsbeziehungen der ETH Zürich.

Montag, 25.11.2019, 17.15-18.45 Uhr; Hörsaal F3, Hauptgebäude, ETH Zürich. Weitere Informationen

Santina Russo