Archiv für den Monat August 2009

Metamaterialien lassen Licht tanzen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.08.2009

Karlsruher entwickeln Polarisatoren im Nano-Maßstab

In letzter Zeit haben Metamaterialien, mit denen sich elektromagnetische Wellen, also auch Licht, manipulieren lassen, die Phantasie von Forschern beflügelt. Diese künstlichen Strukturen besitzen Eigenschaften, wie man sie in der Natur nicht findet. Perfekte Linsen ohne Abbildungsfehler, ja sogar optische Tarnmäntel à la Harry Potter sind damit zumindest theoretisch möglich. Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) beschreiben jetzt erstmals dreidimensionale Metamaterialien, die tatsächlich in spektroskopischen Messgeräten Anwendung finden könnten.

In der Arbeit, die die angesehene Fachzeitschrift Science bereits vor dem Abdruck als „Highlight“ auf ihrer Website veröffentlicht hat, kombiniert das Team um Professor Martin Wegener vom Centrum für Funktionelle Nanostrukturen und Professor Volker Saile vom Institut für Mikrostrukturtechnik unterschiedliche Technologien. (Science Express, 20.8.2009, doi:10.1126/science.1177031). Für die Herstellung der neuartigen Elemente wird zunächst mit einem Laser in einem Fotolack die Struktur gleichsam „geschrieben“ und danach aufgelöst. In einem zweiten Schritt wird in den dabei entstandenen Hohlräumen Gold galvanisch abgeschieden, bis sie gefüllt sind. Schließlich wird die Polymer-Urform weggeätzt. Zurück bleibt eine Struktur, die an eine Federkernmatratze erinnert: Sie besteht aus vielen regelmäßig angeordneten, winzigen Goldspiralen mit einem Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). „Die Spiralen bringen Licht, das durch das Metamaterial strahlt, gleichsam das geordnete Walzertanzen bei“, umschreibt Wegener die Funktionsweise. Aufgrund ihres Aufbaus lassen die dreidimensionalen Metamaterialien nur einen der beiden Drehsinne einer elektromagnetischen Welle passieren. Sie wirken so als Filter für zirkular polarisiertes Licht.

Diese Eigenschaft beruht darauf, dass Metamaterialien nicht nur die elektrische, sondern auch die magnetische Komponente einer elektromagnetischen Welle direkt beeinflussen. „Solche Strukturen können dies je nach Größe der Spiralen für ganz unterschiedliche Wellenlängen und über eine vergleichsweise große Bandbreite von Wellenlängen“, erläutert Justyna Gansel aus der Arbeitsgruppe Wegener. Ihre Ergebnisse räumen den bisher beobachteten Nachteil von Metamaterialien aus, dass ihre speziellen Eigenschaften nur auf ein enges Frequenzspektrum beschränkt sind.

Die neuartigen kompakten und breitbandigen zirkularen Polarisatoren könnten für zahlreiche Anwendungen in der optischen Spektroskopie von großem Interesse sein. Sie ließen sich zum Beispiel in handliche Geräte einbauen, die Gemische von Substanzen analysieren, welche selbst als Polarisatoren wirken. „Die rechtsdrehenden Milchsäuren aus dem Joghurt könnten so in Zukunft mit Hilfe von Metamaterialien bestimmt werden“, spekuliert Gansel.

Mit ihren Arbeiten an nanostrukturierten polarisierenden Metamaterialien setzen die KIT-Wissenschaftler quasi eine alte Karlsruher Tradition fort: Vor gut 120 Jahren benutze Heinrich Hertz einen, allerdings fast zwei Meter großen, linearen Polarisator für seine bahnbrechenden Forschungen über elektromagnetische Wellen. (gk)

Literatur:
Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer.
Justyna K. Gansel, Michael Thiel, Michael S. Rill, Manuel Decker, Klaus Bade, Volker Saile, Georg von Freymann, Stefan Linden, and Martin Wegener. Science Express Reports, veröffentlicht online am 20. August 2009; doi:10.1126/science.1177031.

Externer Link: www.kit.edu

“Intelligente” Hydrogele revolutionieren die Flüssigkeitssensorik

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Pressemitteilung der TU Dresden vom 27.08.2009

Wenn bestimmte Polymere in Kontakt mit einem geeigneten Lösungsmittel kommen, lösen sie sich nicht, sondern quellen auf. Ist das Lösungsmittel Wasser, spricht man von “Hydrogelen”. Bestimmte Hydrogele könne das bis zu 100-fache ihrer Eigenmasse in Form von Wasser aufnehmen. Die Menge des aufgenommenen Wassers hängt bei “intelligenten” Hydrogelen von einer Vielzahl von Eigenschaften des Lösungsmittels ab, so zum Beispiel von der Temperatur, vom pH-Wert oder der Konzentration gelöster Salze.

Anhand des Quellgrades Stoffkonzentrationen bestimmen – dieses Prinzip nutzen Wissenschaftler der TU Dresden nun in einem neuen Messgerät. Es beruht auf dem Prinzip der Quarzmikrowaage. Tritt an der Oberfläche eines Schwingquarzes eine Massenänderung auf, so verändern sich die Resonanzeigenschaften des Schwingquarzes. Mit der heutzutage vorhandenen Messtechnik ist es so möglich, selbst geringste Massenzunahmen im Bereich von wenigen Nanogramm zu registrieren. Für die Massenänderung auf der Quarzoberfläche wiederum sorgt das eingesetzte “intelligente” Hydrogel, welches auf die Quarzoberfläche aufgebracht wurde.

Die Vorteile des Messgerätes, das im Rahmen eines vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und der Sächsischen Aufbaubank (SAB) geförderten Projekts gemeinsam mit einem Industriepartner entwickelt wurde, liegen auf der Hand. Es ist klein, kompakt und dadurch transportabel. Messwerte können innerhalb weniger Sekunden einfach abgelesen werden. Aufwändige Laboranalysen können somit eingespart werden.

Die Wissenschaftler haben mit dem neuen Messgerät bereits erfolgreich ph-Werte und die Konzentration kommerzieller Reinigerlösungen bestimmen können. Das entwickelte Messprinzip ist aber auch auf viele andere Messaufgaben übertragbar, etwa um Schadstoffkonzentrationen im Trinkwasser zu analysieren. Dazu muss das “intelligente” Hydrogel lediglich an die gewünschte Anwendung angepasst werden. (Martin Morgenstern)

Externer Link: www.tu-dresden.de

Wenn Nervenzellen der Sprit ausgeht

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Presseinformation der LMU München vom 24.08.2009

Parkinson-Gene sichern die neuronale Energieversorgung

Bei einer Parkinson-Erkrankung sterben Neuronen im Mittelhirn ab. Welche Mechanismen hier zugrunde liegen, ist noch weitgehend unklar. Bekannt ist aber, dass etwa jeder zehnte Krankheitsfall auf Defekte in sogenannten Parkinson-Genen zurückzuführen ist. Außerdem scheinen Mitochondrien, die Kraftwerke der Zellen, eine wichtige Rolle zu spielen. Ein Forscherteam um PD Dr. Konstanze Winklhofer und Professor Christian Haass legt nun Ergebnisse vor, die diese beiden Beobachtungen zusammenführen. Demnach sichern zwei Parkinson-Gene die Funktion der Mitochondrien in den Nervenzellen. „Für uns Forscher ist es sehr hilfreich, wenn Erkrankungen durch Fehlfunktion bestimmter Gene ausgelöst werden können, so wie es bei der Parkinson-Erkrankung der Fall ist“, sagt Winklhofer. „Wenn wir die genaue Funktionsweise dieser Gene entschlüsseln, können wir viel über die Ursachen und den Verlauf des Leidens lernen wie auch über mögliche therapeutische Ansätze.“ Ebenfalls beteiligt an der Untersuchung war die Arbeitsgruppe von Professor Dr. Wolfgang Wurst vom Institut für Entwicklungsgenetik am Helmholtz Zentrum München. (Journal of Biological Chemistry, 21. August 2009)

Allein in Deutschland leiden zurzeit mindestens 250.000 Menschen an der Parkinson-Erkrankung. Die betroffenen Patienten zittern unkontrolliert und können sich nur langsam oder kaum mehr bewegen, während ihre Muskeln versteifen. Die Ursache ist der Untergang von Nervenzellen in der Substantia nigra, einem Bereich des Mittelhirns, der Dopamin als Botenstoff produziert. Dieser Botenstoff überträgt Informationen in den Kontrollzentren für Bewegungsabläufe. Ein Mangel an Dopamin hat somit eine Bewegungsstörung zur Folge.

„Funktionsgestörte Mitochondrien werden schon seit den 80er-Jahren als mögliche Verursacher der Parkinson-Erkrankung vermutet“, sagt Privatdozentin Dr. Konstanze Winklhofer am Lehrstuhl für Stoffwechselbiochemie an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Damals entdeckte man, dass Stoffe, die für Mitochondrien giftig sind, eine Parkinson-Erkrankung auslösen können. Eine Beteiligung dieser wichtigen Zellbestandteile am Untergang der Neuronen wäre leicht zu erklären: Mitochondrien versorgen die Zelle mit Energie und spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation des Zelltods. Die aktuellen Ergebnisse bestätigen den Zusammenhang nun auf genetischer Ebene.

Demnach sind die beiden Parkinson-Gene PINK1 und Parkin gemeinsam für das Funktionieren der Mitochondrien verantwortlich. Wenn Parkin oder PINK 1 ihre Funktion verlieren, sind die Form und die Aktivität der Mitochondrien gestört. In Folge davon produzieren die zellulären Energielieferanten weniger Adenosintriphosphat, also Kraftstoff für die Zellen. In vorangegangenen Arbeiten konnte das Team um Winklhofer bereits zeigen, dass Parkin eine wichtige Schutzfunktion für Neuronen erfüllt. „Das haben wir nun bestätigt“, berichtet die Biochemikerin. „Denn während Parkin einen Funktionsverlust von PINK1 kompensieren kann, geht das umgekehrt nicht.“

Bis heute gibt es kein Medikament, das ein Fortschreiten der Parkinson-Erkrankung verhindern kann. Die Therapien beschränken sich bislang darauf, dem Gehirn genügend Dopamin zur Verfügung zu stellen, ohne aber ursächlich einzugreifen. Die Forscher hoffen nun darauf, dass die Parkinson-Gene neue Ansatzpunkte für andere Formen der Behandlung oder Prävention liefern, auch bei Fällen, die nicht genetisch bedingt sind. Bis jetzt sind sechs Parkinson-Gene bekannt. Deren Funktionsweise muss aber noch im Detail entschlüsselt werden – wofür die aktuellen Ergebnisse einen ersten Schritt geleistet haben. (CR/suwe)

Publikation:
„Loss of parkin or PINK1 function increases DRP1-independent mitochondrial fragmentation”
Lutz, A.K., Exner, N., Fett, M.E., Schlehe, J.S., Kloos, K., Laemmermann, K., Brunner, B., Kurz-Drechsler, A., Vogel, F., Reichert, A.S., Bouman, L., Vogt-Weisenhorn, D., Wurst, W., Tatzelt, J., Haass, C., and Winklhofer, K.F.
Journal of Biological Chemistry, 21. August 2009, Bd. 284, Ausgabe 34, S. 22938-22951

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Messzelle spart Energie

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.08.2009

Einsatz bei der Extraktion von Naturstoffen und Reinigung – Technologietransfer-Projekt mit Schweizer Firma

Beim Gewinnen von Naturextrakten für die Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie sowie für Reinigungsprozesse mit Kohlendioxid (CO2) gab es bisher keine Möglichkeit, den Verlauf dieser energieintensiven Prozesse direkt zu verfolgen. Dies führte in der Vergangenheit dazu, dass die Extraktion länger als für ein optimales Ergebnis notwendig durchgeführt wurde. Ein am Forschungszentrum Karlsruhe entwickeltes mobiles Modul ermöglicht nun, derartige Prozesse genau zu verfolgen und punktgenau zu beenden. Der Vorteil ist eine erhebliche Energieeinsparung.

Mögliche Anwendungen sind das Entkoffeinieren von Kaffee und Tee sowie das Gewinnen von Hopfenextrakt, Gewürzen und Rapsöl für die Lebensmittelindustrie. Ebenso lässt sich das Modul bei der Herstellung von Etherischen Ölen für Aromastoffe und Kosmetika sowie pharmazeutischen Wirkstoffen wie auch für das Entfetten von Kakao, die Reinigung von Kork, das Entfernen von Pestiziden aus Reis sowie die Teilereinigung einsetzen. Für diese Prozesse sind erhöhte Temperaturen und hohe Drücke notwendig.

Das nun entwickelte NIR-Modul ermittelt mithilfe der Nahinfrarotspektroskopie, also mit Infrarotlicht, den genauen Zustand des Reinigungs- bzw. Extraktionsprozesses mit CO2. Auf diese Weise werden Naturstoffe nur so lange hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt, wie notwendig ist, um das Extrakt zu gewinnen.

„Somit lassen sich die Extraktions- und Reinigungs-, aber auch Reaktionsprozesse optimal führen“, so Dr. Gabriele Wiegand vom Institut für Technische Chemie (ITC-CPV) des KIT, die das Gerät entwickelt hat. „Nachdem in der Branche Versuche in diese Richtung seit vielen Jahren erfolglos geblieben sind, schaffen wir es nun, bei den Prozessen an einer großen Anlage tägliche Betriebskosten bis zu einem vierstelligen Eurobereich einzusparen. Da die Laufzeiten der Maschinen geringer sind, wird auch deutlich weniger Energie verbraucht.“ Im Rahmen eines Technologietransfer-Projektes, unterstützt von der Stabsabteilung Innovation des KIT, wurde das Modul jetzt gemeinsam mit der Schweizer Firma SITEC Sieber Engineering AG zur Marktreife gebracht. „Erste Anwenderfirmen sind bereits dabei, die Messzelle in deren Extraktionsanlagen einzusetzen“, so Dr. Manuella Werp von der Stabsabteilung Innovation. Für darüber hinausgehende spezifische Anforderungen der Industrie entwickeln die Wissenschaftler am ITC-CPV Applikationen.

Das mobile Modul lässt sich einfach in bestehende Extraktionsanlagen einbauen. Bei der Extraktion und Reinigung handelt es sich jeweils um geschlossene Kreislaufprozesse, bei denen flüssiges CO2 durch Komprimieren und Verdampfen in einen überkritischen Zustand gebracht wird. Überkritisches Kohlendioxid ist ein umweltfreundliches Lösungsmittel für Naturstoffe, Fette und Öle und ersetzt die bisher verwendeten giftigen organischen Substanzen. Nach Ende des Extraktions- oder Reinigungsprozesses verdampft es rückstandsfrei im Gegensatz zu organischen Lösungsmitteln. Das Extrakt selbst wird durch Druckentlastung in einem Behälter gesammelt, CO2 als Gas wieder in seinen ursprünglichen flüssigen Zustand versetzt und somit der Kreislauf geschlossen.

Die bisher verfügbaren Messzellen sind entweder für hohe Temperaturen bei niedrigen Drücke (300 Grad Celsius bei 25 bar) oder für niedrige Temperaturen bei hohen Drücken (50 Grad Celsius bei 300 bar) ausgelegt. Die NIR Messzelle schafft es nun, gleichzeitig bei maximal 180 Grad Celsius und 1000 bar zu arbeiten. „Neben der Energieeinsparung hat die Messzelle noch weitere Vorteile“, so Wiegand. „Durch die kürzere Betriebszeit bei den einzelnen Vorgängen können letztendlich mehr Extraktionen als bisher pro Tag gefahren und somit mehr produziert werden.“ (lg)

Externer Link: www.kit.edu

Reife Ananas und leckeres Schweinefleisch

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom August 2009

Kunden wünschen frische Lebensmittel, die weder unreif noch verdorben sind. Ein neues System könnte die Sicherheit und die Qualität von Nahrungsmitteln zuverlässig, schnell und kostengünstig überprüfen. Ein Beispiel: der Reifegrad von Ananas.

Beim Kauf einer Ananas steht der Kunde oft ratlos vor dem Supermarkt-Regal: Welche ist schon reif? Isst man die Frucht sofort, ist sie oft noch nicht süß genug, liegt sie zu lange, bekommt sie faulige Stellen. Laboruntersuchungen sind für solche Fragestellungen zu langsam und zu kostenintensiv.

Künftig könnten Großlieferanten Abhilfe schaffen: Ein neuartiges System erkennt anhand von flüchtigen Komponenten, wann die Ananas reif ist und an den Supermarkt ausgeliefert werden kann. Forscher der Fraunhofer-Institute für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Schmallenberg und für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg haben es entwickelt. Das System überprüft die Gasabsonderungen online – also etwa direkt im Lagerhaus. »Dazu haben wir verschiedene Technologien zusammengeführt: Basis sind Metalloxidsensoren, wie sie auch in Autos verbaut werden, um etwa im Tunnel die Lüftungsklappen zu schließen. Diese Sensoren haben die Forscher am IPM weiterentwickelt. Strömt ein Gas über den 300 bis 400 Grad Celsius heißen Sensor, verbrennt es dort und Elektronen werden ausgetauscht – die elektrische Leitfähigkeit ändert sich daher«, sagt Dr. Mark Bücking, Abteilungsleiter am IME. »Bevor das Gas diese Sensoren erreicht, muss es durch eine Trennsäule mit Polymeren. Be-stimmte Substanzen werden hier bereits herausgefiltert.« Ein Prototyp des Analysegeräts existiert bereits. Erste Versuche waren vielversprechend: Das Gerät misst die flüchtigen Substanzen ebenso sensitiv wie gängige Geräte in den Lebensmittellaboren. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher das System optimieren und an spezifische Fragestellungen anpassen. Für einen Preis im vierstelligen Eurobereich könnte das Gerät dann auf den Markt kommen, schätzt Bücking.

Weiterhin überprüfen die Forscher, ob das Gerät auch bei der Unter-suchung von Schweinefleisch gute Dienste leisten kann. Das männliche Schwein produziert zur Fortpflanzung Hormone und bestimmte Geruchsstoffe. Was das weibliche Schwein anziehend findet, riecht für menschliche Nasen jedoch alles andere als angenehm. Zwar werden die meisten Schweine bereits vor der Geschlechtsreife geschlachtet – in einer Zeit, in der sich bei einem Großteil der Schweine noch keine Geruchsstoffe gebildet haben. Da jedoch die Gefahr besteht, dass einzelne Eber in ihrer Entwicklung voraus sind und die Geruchsstoffe in diesem Alter bereits gebildet haben, werden alle Eber im Ferkelalter kastriert. Künftig könnte man auf die Kastration verzichten und stattdessen das Schweinefleisch vor dem Verpacken online testen.

Externer Link: www.fraunhofer.de