Molecular Aesthetics

Members of our species, Homo sapiens sapiens, have been occupying regions of the earth for at least 60,000 years but it is only around 10,000 years ago that permanent structures began to be built - reflecting the predominantly nomadic life-style of our ancestors before this time. Monumental constructions in stone, typified by the pyramids and other great structures scattered throughout the Middle East, remain to remind us of the mind-shift that accompanied this change. Since then, art, architecture and engineering have all flourished on the human (or macro) scale, frequently driven by both challenge and creativity.

Dating from the beginnings of modern chemistry around two hundred years ago, when the nature of matter first begun to be understood in terms of atoms and molecules, it has been increasingly possible to undertake related creative activities at the molecular level - representing a further milestone in human history. This is especially true over the past three decades or so - reflecting the development of supramolecular chemistry, a sub-branch of chemistry that tends to mimic Nature's way of doing things. A focus of supramolecular chemistry is the use of single molecules and ions as 'building blocks' to construct larger assemblies exhibiting pre-designed shapes and properties. Using the tools of modern chemistry this is now often possible and supramolecular systems of significant subtlety, and also of very considerable aesthetic appeal, are being increasingly created on the nanometer scale. It is an area of contemporary chemistry where human creativity may be readily expressed.

A range of structures from the supramolecular realm that bridge the boundaries between art and science will be presented. These include examples displaying artistic nuances that mimic structures found in the macro world as well as interwoven and other motifs showing both intricacy and beauty in their molecular forms.

Der moderne Mensch (Homo sapiens sapiens) bewohnt seit mindestens 60.000 Jahren die Erde, begann aber erst vor ungefähr 10.000 Jahren, dauerhafte Bauwerke zu errichten. Bis zu diesem Zeitpunkt pflegten unsere Vorahnen eine vorwiegend nomadische Lebensweise. Steinbauten nach Art der Pyramiden und anderer Monumente, die über ganz Vorderasien verstreut sind, erinnern an den Geisteswandel, der diesen Entwicklungssprung begleitet haben muss. Kunst, Architektur und Technik florieren nach dieser Zäsur auf menschlicher (makroskopischer) Ebene, vielfach von unserer Erfindungskraft und neuen Herausforderungen angetrieben.

Seit den Anfängen der modernen Chemie vor etwa 200 Jahren, als Atom und Molekül sich als Bausteine der Materie herauskristallisierten, rückte die Möglichkeit in immer größere Nähe, die genannten schöpferischen Tätigkeiten auch auf molekularer Ebene auszuführen - ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Menschheit. Dies gilt besonders für das Aufkommen der supramolekularen Chemie in den letzten drei Jahrzehnten. Diese Disziplin beschäftigt sich mit der Nachahmung von Naturprozessen und verwendet einzelne Moleküle und Ionen als „Bausteine“ zur Konstruktion übergeordneter Verbindungen, die spezifische Formen und Eigenschaften aufweisen. Die Werkzeuge der modernen Chemie machen es möglich, im Nano-Bereich relativ diffizile supramolekulare Systeme aufzubauen, die ästhetisch reizvoll sind. Der menschliche Erfindergeist kann sich in diesem Zweig der modernen Chemie frei entfalten.

Eine Reihe supramolekularer Strukturen wird präsentiert, die eine Brücke zwischen Kunst und Wissenschaft schlagen. Einzelne Beispiele erinnern an Formen aus der Makrowelt, andere belegen die Schönheit und den Detailreichtum molekularer Konstellationen.

The representation of macromolecular structures, for research or publication purposes, was a particular challenge for 20th century scientists. Focusing on protein science, this talk will explore how scientists and their collaborators have developed and used various techniques, from physical models to photorealistic computer graphics, to represent these structures. It will particularly focus on how the domains of science, the mechanical arts, the visual arts and computer science intersected and criss-crossed as this culture of macromolecular representation changed and evolved through the second half of the 20th century.

The fascinating structure of DNA has enabled the encoding of a life's message and 50 years after the discovery, genome libraries and gene manipulation, we have just about scratched the surface. But today, DNA is not only a molecule of life, but also an important building block in a new field of nanotechnology - design of novel nanostructures. And the structures, which have been designed on the nano scale by making use of remarkable properties of a double helix, are not only fascinatingly complex but have, in the last decade, found a range of interesting applications and continue to attract lots of attention. What has been done till now to fill in the gaps in understanding the DNA and where can we go from here?

Die faszinierende Struktur der DNS verschlüsselt die Botschaften des Lebens. Trotz Genom-Datenbanken und Genmanipulationen bleibt sie auch 50 Jahre nach ihrer Entdeckung ein Neuland der Forschung. Neben ihrer Funktion als Molekül des Lebens dient die DNS heute als Grundbaustein im aufstrebenden Feld der Nanotechnologie. Die speziellen Eigenschaften der Doppelhelix ermöglichen die Entwicklung innovativer, komplexer Nanostrukturen, die im vergangenen Jahrzehnt zahlreiche Anwendungsgebiete fanden und nach wie vor großes wissenschaftliches Interesse erregen. Was wurde unternommen, um die Lücken in unserer Kenntnis der DNS zu füllen, und welche zukünftigen Schritte bieten sich an?

Artists operate within both the miniscule contexts of cells and molecules and the vastly larger macrocosm of human experience. While scientists ponder higher dimensions and the existence of multiple universes, the scope of knowledge encompasses once inconceivable reaches of space and time. Art is no longer limited to human scale. Neither is it any longer confined to this world or even, to this universe.

Künstler agieren sowohl im Mikrokosmos der Moleküle und Zellen als auch im vielfach größeren Makrokosmos der menschlichen Erfahrungswelt. Unser Wissen ist durch die wissenschaftliche Erforschung höherer Dimensionen und multipler Paralleluniversen in bislang unvorstellbare Regionen von Raum und Zeit vorgedrungen. Kunst bleibt nicht länger auf das menschliche Maß beschränkt und weist über die Grenzen unseres Planeten, ja sogar unseres Universums hinaus.

Ljljana Fruk and Bernd Lintermann are presenting the interactive 3D-Installation »Molecules that Changed the World«. It was part of the Symposium »Molecular Aesthetics« which took place as a part of the project »Käpsele Connection. Creativity and Innovation in Baden-Württemberg« in cooperation with DFG-Center for Functional Nanostructures (CFN) of the Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

Ljljana Fruk und Bernd Lintermann präsentieren die interaktive 3D-Installation »Molecules that Changed the World«. Diese war Teil des Symposiums »Molekulare Ästhetik«, das im Rahmen des Projekts »Käpsele Connection. Kreativität und Innovation in Baden-Württemberg« in Zusammenarbeit mit dem DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des Kalrsruhe Institute of Technology entstand.

Sonification - the study of the acoustic conversion of experimental data - covers various fields of application, such as monitoring and comprehension of physical phenomena, audio perception of the environment by visually impaired people, and musical composition. Among the various existing sonification techniques, the acoustic conversion of molecular vibrational spectra is well-suited for the exploration of microscopic structures.

Non-audible oscillations naturally occur in molecules, at rates that are orders of magnitude faster than acoustic vibrations, in a frequency range extending from 30 GHz to 300 THz and can be recorded with spectrometers. Usual analyses of such spectra involve visual examinations, comparison of experimental data with spectral databases or computed spectra.

An extended method for the acoustic and musical conversion of vibrational spectral data considers any piece of music as a combination of elementary waveforms. This method leads to molecular sounds, molecular scales and even molecular musical pieces. It translates into an audible signal the same physical phenomenon at different time scales. Its versatility allows the choice of the selected musical parameters and of the time scale descriptions of the corresponding waveforms, in order to obtain the most compelling musical results.

Sonifikation - die Umwandlung experimenteller Daten in Klangereignisse - findet breite Anwendung, etwa in der Untersuchung und Überwachung physischer Phänomene, in akustischen Wahrnehmungshilfen für Sehbehinderte oder in der Musik. Die Transposition molekularer Schwingungsspektren in Tonsignale eignet sich ideal zur Erforschung mikroskopischer Strukturen.

Moleküle oszillieren um ein Vielfaches schneller als Schallschwingungen in einem Frequenzbereich zwischen 30 GHz und 300 THz. Instrumente zur Aufzeichnung dieser Phänomene (Spektrometer) benutzen optische Komponenten und elektromagnetische Licht- und Infrarotstrahlung. Die Auswertung der höchst aufschlussreichen Schwingungsspektren erfolgt zumeist auf visuellem Weg oder durch den Vergleich mit gespeicherten oder rechnerisch erzeugten Spektren.

Eine erweiterte Methode zur akustischen und musikalischen Darstellung molekularer Schwingungsfrequenzdaten definiert jedes beliebige Musikstück als Kombination elementarer Wellenformen. Die skizzierte Methode erzeugt molekulare Töne, molekulare Tonleitern und molekulare Musikstücke. Sie wird entlang verschiedener Zeitskalen in Tonsignale umgesetzt. Dieser flexible Ansatz ermöglicht die Auswahl der Ton- und Zeitparameter, die mit einer bestimmten Wellenform verbunden sind, und gewährleistet dadurch überzeugende musikalische Resultate.

My thesis is that there is an integral tetrahedron linking new sciences, new technologies, new media, and new aesthetics such that each enables the others.  Viewing the tetrahedron as integral, symbiotic, and transformative alters the usual world view of the scientist, who is generally still trained in a nineteenth century Comteian positivism that has sciences driving progress in all other human endeavors. Few scientists appreciate the many ways in which media and aesthetics inform and make possible their own insights. I shall explore through a set of case studies how aesthetics and media enable new science and technology, thereby defining the nature of the linkers attaching each discipline to the others. I shall focus in particular on four such linkages: 1) the imaginary worlds that a scientist must conceive before testing the nature of perceived existence; 2) the nature of what physicist/philosopher Michael Polanyi has called “personal knowledge”, the intuitive, sensual way in which a scientist comes to know nature before words, equations or graphical representations are possible; 3) technique, which embodies the physical rendering of ideas into experiments and apparatuses;  and 4) synosia, a combination of synaesthetic sensual experience with formal intellectual knowledge resulting in a feeling of knowing and knowing feelings. My conclusion is that these linkages can exist only when science, technology, media and aesthetics intersect and combine to co-stimulate each other. The fundamentally important result is the phenomenon of wonder.  For in the final analysis, as my colleague Scott Gilbert has recently argued, it is wonder that drives all of us, in every discipline, to explore the nature and meaning of our existence. Molecular aesthetics embodies that wonder in wonderful and wonder-full ways that will produce not only new arts, but also new sciences.

Als Ansatzpunkt dient uns das Schema eines Tetraeders, das neue Wissenschaften, Technologien, Medien und Ästhetiken so verknüpft, dass ein wechselseitig gewinnbringender Austausch entsteht. Diese integrale, symbiotische und transformative Vernetzung verändert das Weltbild des durchschnittlichen Wissenschaftlers, der auch heute noch an der Überzeugung des Comte'schen Positivismus aus dem 19. Jahrhundert festhält, die Wissenschaft sei die treibende Kraft des Fortschritts in allen menschlichen Unternehmungen. Nur wenige Wissenschaftler lassen sich auf die Frage ein, inwieweit Ästhetik und Medien ihre Studien beeinflussen und überhaupt erst möglich machen. Wir zeigen anhand mehrerer Fallstudien, wie Ästhetik und Medien die Innovation in Wissenschaft und Technik vorantreiben. Dabei fällt ein Schlaglicht auf die Wechselbeziehungen zwischen den Disziplinen. Vier davon werden genauer betrachtet: 1) die Vorstellungswelten, die ein Wissenschaftler ersinnen muss, ehe er die Beschaffenheit wahrgenommener Phänomene prüft, 2) das „persönliche Wissen“ gemäß der Definition des Physikers und Philosophen Michael Polanyi als intuitive, sinnliche Annäherung an die Natur, die der verbalen, grafischen oder mathematischen Artikulation vorausgeht, 3) Technik, die konkrete Umsetzung von Ideen in Experimente und Versuchsanordnungen, sowie 4) „Synosie“, die Kombination synästhetischer Sinneswahrnehmungen mit rationalem Denken, die gefühltes Wissen oder wissende Gefühle erzeugt. Wir gelangen zu dem Schluss, dass Wechselbeziehungen dieser Art nur dann eintreten können, wenn Wissenschaft, Technologie, Medien und Ästhetik sich so überschneiden und verflechten, dass eine gegenseitige Bereicherung gegeben ist. Wichtigstes Resultat ist das Phänomen des Wunders. Denn wie Scott Gilbert unlängst argumentiert hat, ist es am Ende das Wunder, das uns in allen Disziplinen dazu antreibt, das Wesen und den Sinn unseres Daseins zu hinterfragen. Die molekulare Ästhetik verkörpert dieses Wunder auf wundervolle Art und Weise. Sie bereitet nicht nur einer neuen Kunst den Weg, sondern auch einer neuen Wissenschaft.

Concert Moléculaire:

Tim Otto Roth: »Music of Life«

für 20 Streichinstrumente

Mit dem KHG Studentensinfonieorchester Freiburg

Tim Otto Roth: »Music of Life«

for 20 string instruments

performed by the KHG studenten orchestra Freiburg

Nach der Diskussion des Begriffes „molekulare Ästhetik“ und der Betrachtung einiger synthetischer Supermoleküle werden anhand verschiedener organischer Naturstoffe Prinzipien besprochen, die zu ästhetisch anspruchsvollen Molekülen führen. Durch Dimerisierung entstehen bilateral-symmetrische oder spielkartenartige Verbindungen. Die Verknüpfung zu ringförmigen, rotationssymmetrischen Molekülen erfolgt nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten. Das Phänomen der Translation ist in linearen und drei dimensionalen Polymeren zu beobachten. Im Kristallgitter des Diamanten sind die unterschiedlichsten Figuren versteckt. Von besonderem Interesse ist die Chiralität oder Händigkeit von Natur- und Arzneistoffen, die den Molekülen erstaunliche Eigenschaften verleiht. Ästhetisch reizvoll erscheint auch der Vergleich von Worten, Molekülen und Melodien.

Deleuze and Guattari's concept of the 'molecular' is not, as Eugene Thacker has recently remarked, necessarily about 'molecules' in a conventional scientific sense. Rather the concept is at the heart of a Deleuzian challenge to hierarchies of matter/form and molar/molecular. In A Thousand Plateaus the 'molecular' is synonymous with concepts of becoming, deterritorialisation and multiplicity. In practice, this means that Deleuze and Guattari challenge the genetic determinism that is often associated with molecular biology. When drawing on the work of Jacob and Monod, for example, they conceptualise the relationship between nucleic acids and proteins in terms of 'expression' and 'content'. The existence of what Deleuze and Guattari call a 'pure line of expression' (DNA) gives living organisms a high degree of deterritorialisation.

This 'molecular' vision is developed most fully in Deleuze's work on aesthetics, and in particular his work on music, literature and film. In all of this work Deleuze adopts a radically materialist perspective. As far as music is concerned, he suggests that it might be possible to move away from thinking in terms of a musical 'matter' on which 'form' is imposed (this would in turn imply a hierarchy of matter, life, and spirit). In short, the coupling of 'matter-form' might be replaced by 'matter-force'. In this way, certain kinds of music would be able to render audible forces that would otherwise be non-audible. Similarly, as far as literature is concerned, Deleuze's molecular perspective highlights the ways in which writing is capable of rendering impersonal affects, percepts and singularities. In the case of film, Deleuze's reading of Bergson's materialism leads him to propose a radical immanence of the image in matter.

Der Begriff des „Molekularen“ bei Gilles Deleuze und Pierre-Félix Guattari bezieht sich, wie Eugene Thacker jüngst angemerkt hat, nicht unbedingt auf „Moleküle“ im wissenschaftlichen Sinn. Vielmehr ist er die Spitze, die Deleuze gegen die Hierarchien von Materie/Form und Molar/Molekular wendet. „Molekular“ steht in Tausend Plateaus gleichbedeutend mit Werden, Deterritorialisierung, Multiplizität. Die beiden Autoren formulieren daraus eine Kampfansage an den genetischen Determinismus, der beharrlich mit der Molekularbiologie in Zusammenhang gebracht wird. In ihrer Behandlung des Werks von François Jacob und Jacques Monod interpretierten sie die Beziehung zwischen Nukleinsäuren und Proteinen unter dem Aspekt von „Ausdruck“ und „Inhalt“. Die Existenz dessen, was Deleuze und Guattari als „reine Linie des Ausdrucks“ (DNS) bezeichnen, verleiht dem lebenden Organismus einen hohen Grad an Deterritorialisierung.

Am stärksten ausgeprägt ist der „molekulare“ Blick in Deleuzes Schriften zur Ästhetik, insbesondere in jenen zu Musik, Literatur und Film, in denen er eine radikal materialistische Position bezieht. In Bezug auf die Musik spekuliert er, dass es möglich sein müsse, von der Vorstellung einer musikalischen „Materie“, die in eine „Form“ gezwungen wird (und ihrerseits eine Hierarchie von Materie, Leben und Geist voraussetzt), abzugehen und die Dualität Materie-Form durch Materie-Kraft zu ersetzen. Bestimmte Arten der Musik könnten damit unhörbare Kräfte hörbar machen. In der Literatur erhellt der molekulare Blick, wie unpersönliche Affekte, Empfindungen und Singularitäten sich in Worte fassen lassen. Und in seiner Filmtheorie postuliert Deleuze ausgehend vom Materialismus Bergsons eine radikale Immanenz des Bilds in der Materie.