Hans Kuhn (Physikochemiker)

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Hans Kuhn (1975)

Hans Kuhn (* 5. Dezember 1919 in Bern; † 25. November 2012[1]) war ein Schweizer Professor für Physikalische Chemie und Direktor am Max Planck Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut) in Göttingen.[2]

Leben[Bearbeiten]

Hans Kuhn studierte Chemie an der ETH Zürich und erlangte das Diplom als Ingenieur-Chemiker. Anschließend ging er an die Universität Basel, wo er zum Dr. phil. promovierte und 1946 habilitierte. 1946 bis 1947 arbeitete er als Post-Doktorand bei Linus Pauling am California Institute of Technology in Pasadena und 1950 für einige Monate bei Niels Bohr in Kopenhagen. Hans Kuhn wurde 1951 Professor an der Universität Basel. 1953 wurde er als Professor und Direktor des Instituts für Physikalische Chemie an die Philipps-Universität Marburg berufen. Von 1970 bis 1985 war er Direktor der Abteilung „Molekularer Systemaufbau“ am Max Planck Institut für biophysikalische Chemie (Karl-Friedrich-Bonhoeffer-Institut) in Göttingen.

Fritz Peter Schäfer, Peter Fromherz, Horst-Dieter Försterling, Viola Vogel und Dietmar Möbius waren Studenten von Hans Kuhn; Erwin Neher war Assistent in seiner Abteilung. Die Heirat mit Elsi Hättenschwiler war 1948, sie gebar die Kinder Elisabeth, Andreas, Eva, Christoph. Elsi starb 2004.

Wissenschaftliche Arbeiten[Bearbeiten]

Hans Kuhn begann seine Doktor-Arbeit mit der Untersuchung der Entknäuelung von Fadenmolekülen in strömender Lösung. Werner Kuhn schlug ihm vor, das Fadenmolekül zur vereinfachten theoretischen Behandlung durch ein Hantelmodell [3] zu ersetzen. Hans Kuhn war von der Einfachheit und dem Erfolg des Modells in der quantitativen Analyse einer Vielzahl von Experimenten begeistert. Diese Erfahrung, unterstützt durch die Arbeiten bei Linus Pauling und Niels Bohr, war für die Lebens-Arbeit von Hans Kuhn in der Forschung bestimmend.[4] Polymere wurden erstmals 1934 von Werner Kuhn als Ketten statistischer Fadenelemente beschrieben.[5] 1943 wurde das statistische Vorzugselement definiert.[6] Es wird heute als Kuhn-Länge bezeichnet. Im Lehrbuch „Principles of Physical Chemistry“ wird es „statistical chain element“ genannt.[7] Um das Verhalten geknäulter Fadenmoleküle genauer zu beschreiben als durch das Hantelmodell, fertigte Hans Kuhn makroskopische Modelle von Molekülknäueln an und untersuchte ihr hydrodynamisches Verhalten.[8]

Polyene: potentielle Energie (Vertiefungen durch Atomrümpfe vernachlässigt) und π-Elektronendichte. a) Instabilität bei gleichen Bindungslängen. b) Stabilisierung durch Bindungslängen-Alternanz durch Bindungslängen konsistent mit π-Elektronendichte (BCD)-Näherung.

Bei Pauling versuchte er die Absorption von Polyenen durch das Elektronengas-Modell zu erklären, was nicht gelang. Zwei Jahre später sah er, dass das Modell, auf Cyaninfarbstoffe angewendet, zu einer quantitativen Übereinstimmung der erwarteten Spektren mit dem Experiment führte.[9] Er sah den Grund seines Scheiterns bei den Polyenen darin, dass bei Annahme gleicher Bindungslängen eine Instabilität auftritt, die zu einer Alternanz zwischen Einfach- und Doppelbindungen führt, verursacht durch die Bedingung der Selbstkonsistenz zwischen angenommenen Bindungslängen und berechneter π-Elektronendichte-Verteilung. Nur so konnte er die Absorptionsspektren der Polyene verstehen.[10] Später wurde die Annahme theoretisch begründet.[11] Dieser Effekt wird häufig als Peierls-Instabilität bezeichnet: ausgehend von einer linearen Kette von Atomen gleichen Abstandes wandte Peierls eine Störungsrechnung erster Ordnung mit Bloch-Wellenfunktionen an, aber er zeigte nicht die Selbstkonsistenz, die zur Alternanz von Einfach- und Doppelbindung führt.[12][13][14][15] Die besonderen Eigenschaften leitender Polymere beruhen auf dem theoretischen Zusammenhang von Bindungsalternanz und Bindungslängen-Ausgleich. Das Elektronengasmodell und seine Verfeinerungen entwickelten sich zu einer Theorie der Lichtabsorption organischer Farbstoffe.[16][17] In Marburg entwickelten Hans Kuhn und Fritz Peter Schäfer (kurz vor dem Zeitalter des Digital-Computers) einen Analogrechner zur Lösung der zweidimensionalen Schrödinger-Gleichung.[18] Dieser raumerfüllende Rechner wurde von der Arbeitsgruppe von Hans Kuhn zur Berechnung der Bindungslängen interessanter π-Elektronensysteme verwendet.[11][16][19][20][21][22][23]

(a) Modell zur Entstehung eines ersten, replizierenden Oligomers R. (b) ganz spezieller Ort auf der präbiotischen Erde. Pfeil: ganz besonderer zyklischer Wechsel von Temperatur und vielen anderen speziellen Gegebenheiten die zufälligerweise gerade hier herrschen. (c) Evolution zunehmend komplexer selbst-reproduzierender Formen durch Besetzung von Bereichen mit Eigenschaften, die zunehmend schwierig zu überwinden sind.

Anfangs der 1960er-Jahre dachte Hans Kuhn an ein neues Paradigma in der Chemie, der Synthese von unterschiedlichen Molekülen, die strukturell so ineinander passen, dass sie funktionelle Komponenten darstellen, die also als Ganzes eine vorausgeplante Funktionseinheit bilden, eine supramolekulare Maschine.[24] Seine Arbeitsgruppe konstruierte Prototypen solcher Maschinen durch Entwicklung neuer Techniken zur Herstellung und Manipulation von Langmuir-Blodgett-Schichten.[25][26] Sie sind heute unter der Bezeichnung Langmuir-Blodgett-Kuhn-Schichten (LBK-Schichten) oder als LBK-Filme bekannt. Die vielen neuen Verfahren wurden in enger Zusammenarbeit mit Dietmar Möbius entwickelt und sollten daher als Langmuir-Blodgett-Möbius-Kuhn-Schichten (LMBK-Schichten) bezeichnet werden.

In engem Zusammenhang mit dem Problem der Herstellung supramolekularer Maschinen stand die Frage nach der Entstehung des Lebens. Hans Kuhn verstand seinen Beitrag im Suchen nach einem theoretisch konsistenten und chemisch plausiblen Weg aus vielen aufeinander folgenden physikalisch-chemischen Schritten, der zu einem genetischen Apparat führt. Der Prozess an sich steht in Übereinstimmung mit der Thermodynamik. Die Lebens-Entstehung ist kein besonderes Problem der Thermodynamik. Gewisse Schritte sind im Verstehen ihres Mechanismus' besonders bedeutungsvoll, wie der Übergang von einem Vervielfältigungs-Übersetzungsapparates zu einem Vervielfältigungs-Transkriptions-Übersetzungsapparates.[27][28][29][30][31][32][33] In diesem Bild muss, im Versuch, die Entstehung des Lebens zu verstehen, die Phantasie und Geschicklichkeit des Experimentators in der Herstellung supramolekularer Maschinen ersetzt werden durch eine ganz besondere zufallsbedingte Umgebung an einer ganz besonderen Stelle auf der präbiotischen Erde und anderswo im Universum, die den Prozess antreibt. Das vereinigende Paradigma hat zur Konstruktion einfacher supramolekularer Maschinen geführt und zum Auffinden eines theoretisch konsistenten Weges zu einem Apparat, der im grundsätzlichen Mechanismus mit dem genetischen Apparat der Biologie übereinstimmt. Das erforderte einfache Modellvorstellungen zum Beschreiben komplexer Situationen. In der Weiterentwicklung in verschiedenen Laboratorien wurden wichtige neue experimentelle Methoden erfunden und weiterentwickelt, die zu einer Divergenz führten: supramolekulare Chemie, molekulare Elektronik, Systems Chemistry und wichtige Beiträge zur Nanotechnologie.[34][35][36][37] Es ist stimulierend und nützlich, die Verknüpfung dieser zukunftsweisenden Gebiete im Auge zu haben. In einem modernen Lehrbuch der physikalischen Chemie sollten sie enthalten sein.

Nach seiner Emeritierung entwickelte Hans Kuhn mit seinem Sohn Christoph und Horst-Dieter Försterling seine frühen Arbeiten über Elektronendichte und Bindungslängen, einem Vorgänger der "Density functional theory" (DFT), zu einer Bindungslängen konsistent mit π-Elektronendichte BCD-Method weiter. Er trug zum Verständnis der Photosynthese der Purpur-Bakterien, der Protonenpumpe der Halobakterien und des ATP-Synthase-Motors bei.[7]

Auszeichnungen[Bearbeiten]

Schriften[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Nachruf des Max-Planck-Instituts. Abgerufen am 6. Dezember 2012
  2. History of the Max Planck Institut for Biophysical Chemistry in Goettingen
  3. Hantelmodell
  4. H. Kuhn: Fascination in Modeling Motifs, Chapter 6 in R. Jaenicke and G. Semanza (Eds.) Selected Topics in History of Biochemistry: Personal Recollections VI (Comprehensive Biochemistry Vol 41) Elsevier Science 2000.
  5. W. Kuhn: Ueber die Gestalt fadenförmiger Moleküle in Lösungen Kolloid Zeitschrift 68:2 (1934).
  6. W. Kuhn and H. Kuhn: Die Frage nach der Aufrollung von Fadenmolekülen in strömenden Lösungen Helv. Chim. Acta 26:1394 (1943).
  7. a b Principles of Physical Chemistry by Hans Kuhn, Horst-Dieter Försterling and David H. Waldeck, 2nd Edition, Wiley, Hoboken (2009)
  8. H. Kuhn: Viscosity, sedimentation, and diffusion of long-chain molecules in solution as determined by experiments on large scale models. J. Colloid Sci. 5:331 (1950).
  9. H. Kuhn: Elektronengasmodell zur quantitativen Deutung der Lichtabsorption von organischen Farbstoffen In: J. Helv. Chim. Acta, Band 31, 1948, S. 1441.
  10. H. Kuhn: A quantum mechanical theory of light absorption of organic dyes and similar compound In: J. Chem. Phys., Band 17, 1949, S. 1198.
  11. a b F. Bär, W. Huber, G. Handschig, H. Martin and H. Kuhn: Nature of the free electron gas model. The case of the polyenes and polyacetylenes. In: J. Chem. Phys., Band 32, 1960, S. 470.
  12. R. E. Peierls: Zur Theorie der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Metallen Ann. Phys. 4, 1930, S. 121–148.
  13. R. E. Peierls: Quantum theory of solids Clarendon, Oxford 1955.
  14. R. E. Peierls: Surprises in Theoretical Physics Princeton University Press, Princeton 1979, S. 73.
  15. R. E. Peierls: More Surprises in Theoretical Physics Princeton University Press, Princeton 1991, S. 29.
  16. a b H. Kuhn: The Electron Gas Theory of the Color of Natural and Artificial Dyes'. Progress in the Chemistry of Organic Natural Products (L. Zechmeister ed.) 16:169 (1958) and ibid. 17:404 (1959).
  17. H. Kuhn: Neuere Untersuchungen über das Elektronengasmodell organischer Farbstoffe. Werner Kuhn, Basel, zum 60. Geburtstag gewidmet. In: Angew. Chem., Band 71, 1958, S. 93–101.
  18. F. P. Schäfer: Analogrechner und Registrierautomat zur Ermittlung der stationären Wellenfunktionen und Energieniveaus eines Teilchens in einem zweidimensionalen Potentialfeld, Dissertation Marburg 1960.
  19. H. Kuhn, W. Huber, G. Handschig, H. Martin, F. Schäfer, F. Bär: Nature of the Free Electron Model. The Simple Case of the Symmetric Polymethines. In: J. Chem. Phys., Band 32, 1960, S. 467.
  20. H. Kuhn: Analogiebetrachtungen und Analogrechner zur quantenmechanischen Behandlung der Lichtabsorption der Farbstoffe. In: Chimia, Band 15, 1961, S. 53–62.
  21. F. F. Seelig, W. Huber, H. Kuhn: Analogiebetrachtungen und Analogrechner zur Behandlung der Korrelation von π-Elektronen. In: Zeitschrift für Naturforschung, Band 17a, 1962, S. 114–121.
  22. H. D. Försterling, W. Huber, H. Kuhn: Projected electron density method of π-electron systems I. Electron distribution in the ground state. In: Int. J. Quant. Chem., Band 1, 1967, S. 225.
  23. H. D. Försterling, H. Kuhn: Projected electron density method of π-electron systems II. Excited states. In: Int. J. Quant. Chem., Band 2, 1968, S. 413.
  24. H. Kuhn: "Versuche zur Herstellung einfacher organisierter Systeme von Molekülen" Verhandlungen der Schweizerischen Naturforschenden Gesellschaft, 245–66 (1965)
  25. H. Bücher, K.H. Drexhage, M. Fleck, H. Kuhn, D. Möbius, F. P. Schäfer, J. Sondermann, W. Sperling, P. Tillmann, J. Wiegand: Controlled transfer of excitation energy through thin layers. In: Molecular Crystals, Band 2, 1997, S. 199.
  26. H. Kuhn, D. Möbius: Systems of monomolecular layers-assembling and physico-chemical properties. In: Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Band 10, 1971, S. 620–637.
  27. H. Kuhn: Self-organization of molecular systems and evolution of the genetic apparatus. In: Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Band 11, 1972, S. 798–820.
  28. H. Kuhn: Model consideration for the origin of life. Environmental structure as stimulus for the evolution of chemical systems. In: Naturwissenschaften, Band 63, 1976, S. 68–80.
  29. H. Kuhn, J. Waser: Molecular self-organization and the origin of life. In: Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Band 20, 1981, S. 500–520.
  30. H. Kuhn, J. Waser: A model of the origin of life and perspectives in supramolecular engineering. In: J.-P. Behr (editor): Lock-and-Key Principle, Wiley Chichester, 1994, S. 247–306.
  31. H. Kuhn, C. Kuhn: Diversified world: drive of life's origin?! In: Angew. Chem. Int Ed. Engl., Band 42, 2003, S. 262–266.
  32. H. Kuhn: Origin of life — Symmetry breaking in the universe: Emergence of homochirality. In: Current Opinion in Colloid & Interface Science, Band 13, 2008, S. 3–11.
  33. H. Kuhn: Is the transition from chemistry to biology a mystery? In: Systems Chemistry, Band 1, 2010, S. 3.
  34. J.-M. Lehn: Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. Wiley-VCH Weinheim, 1996.
  35. M. Elbing, R. Ochs, M. Koentopp, M. Fischer, C. von Hänisch, F. Weigand, F. Evers, H. B. Weber, M. Mayor: A single-molecule diode. In: PNAS, Band 102, 2005, S. 8815—8820.
  36. M. Kindermann, I. Stahl, M. Reimold, W. M. Pankau, G. von Kiedrowski: Systems chemistry: kinetic and computational analysis of a nearly exponential organic replicator. In: Angew. Chem. Int. Ed. Engl., Band 44, 2005, S. 6750-6755.
  37. H. Hess, G. D. Bachand, V. Vogel: Powering nanodevices with biomolecular motors. In: Chem. Eur. J., Band 10, 2004, S. 2110—2116.
  38. Darstellung der Auszeichnungen