Entwurf: Bachelor Studiengang Nanoscience

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1 Ziele: Entwurf: Bachelor Studiengang Nanoscience Elitestudiengang für 50 bis 60 Studenten. Geringe Zulassungszahl soll Auswahl der besten Studierenden nach strengen Kriterien ermöglichen. Dieser Studiengang wird erhöhte Anforderungen bezüglich Qualität und Arbeitsaufwand an das Lehrpersonal und an die Studierenden stellen. Starke Vernetzung zwischen den Departments Physik, Chemie, Informatik und Mathematik gemäß den Ausführungen im Exzellenzclusterkonzept Nanowissenschaften. Breite und fundierte Grundlagenausbildung in den Semestern 1-4 mit den Hauptbestandteilen: Nanoscience, Physik, Chemie, Mathematik, Informatik. Fundierte Theorieausbildung sowie fachübergreifende Praxisausbildung mit einem Nanoscience Grundlagen-Praktikum. 3. und 4. Semester dient ferner als Orientierungsphase für die Vertiefungsfächer im Semester. Die Kurse finden ab dem 5. Semester in englischer Sprache statt, begleitend werden Englischkurse angeboten. Die Bachelor-Arbeit wird ebenfalls in englischer Sprache verfasst. Ein anschließendes Masterprogramm wendet sich auch an internationale Studenten und wird komplett in Englisch angeboten. Vertiefungsfächer mit Praktikum in drei Säulen (orientiert an den forschungsstarken, international renommierten Bereichen in Hamburg): 1. Nanomaterialien (Koordination durch die Chemie) 2. Nanoanalytik (Koordination durch die Angewandte Physik) 3. Computational Nanoscience (Koordination durch die Theoretische Physik) Ein sehr intensives Praktikum erfolgt in der Vertiefungsphase, um eine fundierte praxisorientierte und berufsqualifizierende Ausbildung zu gewährleisten. Sommerschule (oder Ringvorlesung) mit jährlich wechselndem Themenschwerpunkt, an welcher die Studierenden aller Semester teilnehmen sollen (im Abschlusssemester werden die Bachelorarbeiten in einer eigenen Postersession präsentiert). Im Rahmen der Sommerschule werden außerdem Soft-Skills vermittelt, z.b. Wissenschaftsenglisch, Rhetorik, Präsentationen, Verfassen wissenschaftlicher Berichte und Publikationen, Patentrecht, Projektmanagement, Existenzgründung. Außerdem wird eine intensive Betreuung auch im Hinblick auf Karriereplanung angeboten.

2 Der neue Studiengang sollte sehr öffentlichkeitswirksam durch breite Nutzung moderner Medien dargestellt werden. Einführung eines Open-Course-Systems, in welchem alle Vorlesungen im Internet als Tondokument (z.b.: mp3-format), inklusive Skript und Übungsblätter hinterlegt werden. Beantragung zweier Ausbildungslabore (Nanoscience Undergraduate Trainings Labs) für die Schwerpunkte Nanomaterialien und Nanoanalytik bei der Stadt Hamburg, um eine exzellente und praxisorientierte Ausbildung der Studierenden zu ermöglichen. Die Labore sollen ausschließlich der Ausbildung von Studenten dienen und eventuell von den Studiengebühren betrieben werden. Ferner sollen die Undergraduate Trainings Labs an einem sehr öffentlichkeitswirksamen Standort im Physik- und/oder Chemie-Department eingerichtet werden. Die Ausbildung in Computational Nanoscience könnte am geplanten Ising-Zentrum stattfinden (ansonsten würde ein drittes Ausbildungslabor beantragt werden). Wegen der bisher unterkritischen Forschung im Bereich Nanobiotechnologie an der Uni Hamburg könnte langfristig eine vierte Vertiefungssäule mit der TU-Hamburg Harburg aufgebaut werden, welche gerade ein mehrjähriges BMBF-Großverbundprojekt auf diesem Gebiet eingeworben hat. Auf eine Säule aus der Biologie muss derzeit verzichtet werden, weil an der Universität Hamburg bisher leider nicht genug Forschungsaktivitäten in dieser Richtung vorhanden sind. Zusätzlicher Personalbedarf: Alle geplanten Lehrveranstaltungen sollen speziell für diesen Studiengang angeboten werden, um eine hervorragende, breite Ausbildung zu garantieren. Dadurch ergibt sich insbesondere in der theoretischen Physikausbildung ein erhöhter Personalbedarf, der sich unten wiederfindet. Einige Kurse im Bereich Soft-Skills sollen von externen Anbietern in Form von Seminaren veranstaltet werden. 1 Koordinator (Professur in Theoretischer Physik, W3) des gesamten Bachelor- Studiengangs, zusätzlich verantwortlich für den Betrieb des Open Course Systems. 1 W3-Professur in Theoretischer Physik oder Chemie (verantwortlich für die Weiterentwicklung des Studiengangs, z.b. Masterprogramm, Graduiertenschule u.a.). 4 Wissenschaftliche Assistenten für die Koordination der Undergraduate Trainings Labs und des Praktikums Computational Nanoscience. 2 Technische Mitarbeiter für die Wartung und Betreuung der Labore. 1 EDV-Administrator für das Computational Nanoscience Praktikum. Zusätzliche Doktorandenstellen für die Betreuung von Praktika und Übungen.

3 Geschätzte Investitionskosten: 1.2 MEuro für wissenschaftliche Trainingsgeräte, 0.6 bis 1 MEuro Umbaumaßnahmen für Labore, 0.25 MEuro Rechnernetzwerke und moderne Medien. Zum Vergleich: die Einrichtung nur eines Undergraduate Trainings Labs am MIT im Jahre 2002 hat ungefähr 2.5 M$ gekostet.

4 Vorschlag: Stundenplan 1. Semester Orientierungseinheit Mathe 4V+2Ü Physik 3V+2Ü Chemie 3V+2Ü Grundlagen der Informatik 2V+2Ü Einführung in Nanoscience 2V+1S 2. Semester Mathe 4V+2Ü Physik 3V+2Ü Chemie 3V+2Ü Computational Physics 2V+2Ü Sommerschule 2V 3. Semester Physik 4V+2Ü Chemie 4V+2Ü Computational Physics 2V+2Ü Nanoscience 4V+2Ü 4. Semester Nanoscience 4V+2Ü Computational Nanoscience 4Ü/S (Projektarbeit) Einführung Nanomaterials 3V+1Ü Einführung Nanoanalytik 3V+1Ü Sommerschule (inkl. Soft-Skills) 4V 5. Semester Vertiefung Vorlesung: 6V+2Ü Vertiefung Praktikum 8P Nanobiotechnologie: 3V+2Ü Proseminar Vertiefung 2S Patentrecht, Forschung und Karriereplanung 2S 6. Semester Vertiefung Vorlesung: 6V+2Ü Nanobiotechnologie: 3V+2Ü Sommerschule (inkl. Soft-Skills) 4V (Präsentation der Bachelorarbeiten) Bachelor-Arbeit

5 Kurzfassung wichtiger Kursinhalte und Vertiefungsveranstaltungen Physik: Vorlesungen (Semester 1-3): Klassische Mechanik Grundlagen der Elektrodynamik Grundlagen der Thermodynamik und der Statistischen Mechanik Grundlagen der Quantenmechanik & Atomphysik Chemie: Vorlesungen: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie Grundlagen der organischen Chemie Vertiefung Anorganische Chemie Physikalische Chemie Einführung Nanoscience (Semester 1): Einführung Bottom-Up und Top-Down-Verfahren Nanotechnologie im Alltag Chancen und Risiken der Nanotechnologie Nanoscience (Semester 3-4): Vorlesungen: Nanomaterialien mit Schwerpunkt Festkörperphysik Nanostrukturphysik: Grundlagen, Materialien, Bauelemente, Technologie... Nanobiotechnologie Nano- und Molekulare Elektronik Physik in reduzierten Dimensionen Experimentelle Methoden zur Herstellung und Charakterisierung Proseminar (in englischer Sprache) Seminar bzw. Ringvorlesung mit externen Sprechern Grundlagen-Praktikum Nanoscience (Semester 1-4) Interdisziplinäres Praktikum unter gemeinsamer Koordination durch Chemie- und Physik-Department: Praktikum in Allgemeiner Chemie Organisch-Chemisches Grundpraktikum (Stoffanalytik, Trenn- und Reinigungsverfahren) Anorganisch-chemisches Praktikum Grundlegende nanoanalytische Methoden, z.b. REM, AFM, Optische Spektroskopie, Röntgen-Beugung... Nanofabrikation, z.b. Soft-Imprint-Lithographie, Kolloid-Synthese, Photonische-Kristalle, Reinraumprozesse Computational Physics / Nanoscience: Numerische Methoden und Algorithmen Grundlagen der Programmierung Betriebssysteme & Rechnerarchitekturen Parallele Programmierung Eigene Projektarbeit Beispiele aus der Physik & Nanowissenschaft

6 Vertiefungsveranstaltungen: Computational Nanoscience: Dichtefunktionaltheorie (DFT) Hartree-Fock-Methoden Quantenchemische Methoden Monte-Carlo-Simulationen Molekulardynamik Transporttheorie Vielteilchentheorie Festkörpertheorie Oberflächen- und Grenzflächenphysik Kritische Phänomene Nichtgleichgewichtsphänomene, Synergetik Nanoanalytik: Rastersonden-Verfahren (AFM, STM u.a.) Röntgenbeugung und Röntgenspektroskopie Synchrotron-Analytik Elektronenmikroskopie und SEMPA Chemische Analytik Spektroskopie (IR, UV, NMR) Elektrochemie Chemische Sensorik Mikrowellen-Analytik Physikalisch-chemisches Praktikum (Spektroskopie) Nanomaterialien: Klassische Top-down-Verfahren (Reinraum) Kolloid-Synthese Imprint-Lithographie und Funktionalisierung Moderne Eloxalverfahren und Elektrochemie Selbstorganisierte Materialsysteme: (Diblock-Kopolymere, Al 2 O 3 - Porenstrukturen, Kolloid-Kristalle) Epitaktische Nanostrukturen (Q-Dots und Nanostäbe) Festkörperreaktionen, z.b. Diffusion und Kirkendall-Effekt Selbstorganisierte Materialien in begrenzten Geometrien Atomic Layer Deposition und Chemical Vapour Deposition Kohlenstoff-Nanoröhren Nanostäbe und Nanoröhren (Template und VLS-Wachstum) Magnetische, halbleitende und thermoelektrische Nanostrukturen Photonische Kristalle, Meta-Materialien Synthesen und Eigenschaften von Nanomaterialien Übergangsmetall- und Hauptgruppenmetallchemie Chemie der Polymere Biochemie (Aminosäuren, Peptide, DNA) Vertiefungspraktikum: Organische-, Bio- und Polymerchemie