Archiv für den Monat Juni 2010

Quantenphysik: Angekündigter Zufall

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Pressemeldung der Universität Wien vom 28.06.2010

Eine neuartige Quelle von verschränkten Lichtteilchen haben Wiener PhysikerInnen um Philip Walther und Anton Zeilinger von der Fakultät für Physik der Universität Wien und vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Diese erlaubt es erstmals nachzuweisen, dass ein verschränkter Zustand vorliegt ohne diesen zu messen. Sie publizieren dazu in der aktuellen Ausgabe des Fachjournals “Nature Photonics”.

Zufällige Erzeugung von verschränkten Lichtteilchen

Bisher hatte die Standardquelle für verschränkte Photonen einen entscheidenden Nachteil: Der Emissionszeitpunkt war unbekannt und es ließ sich damit nicht feststellen, wann die Teilchen die Quelle verlassen. Diese spontane Emission der Teilchenpaare führte zu diversen Problemen bei experimentellen Realisierungen. Möchte man z.B. einen Quantencomputer auf der Basis von Photonen bauen, hieße das, dass man nicht genau weiß, wann die sogenannten Quantenbits, in diesem Fall in Form von Photonen, vorhanden sind. In der Praxis bedeutet dies, dass nach jedem vermuteten Rechenschritt Photonen gemessen werden müssen, um festzustellen, ob dieser erfolgreich war.

Eine Messung in der Quantenmechanik heißt im Allgemeinen auch eine Zerstörung des quantenmechanischen Zustandes – die Teilchen können für keine weitere Quantenrechnung verwendet werden. Die Anwendbarkeit eines optischen Quantencomputers war dadurch bisher stark begrenzt.

Signalisierte Emission von Verschränkung

Die von Wiener ForscherInnen realisierte Quelle von verschränkten Photonenpaaren, bei der die Emission der Paare angekündigt wird, macht eine Messung zur Anwesenheit der Teilchen überflüssig und ermöglicht eine Erweiterung des derzeitigen optischen Quantencomputers. Das Konzept dieser Quelle basiert auf zusätzlichen Hilfsteilchen, deren Messung eine Aussage über den Zustand der verbleibenden Teilchen ermöglicht. Im konkreten Fall des Wiener Experiments präparieren die ForscherInnen sechs Photonen in einem speziellen quantenmechanischen Zustand. Misst man nun vier dieser Photonen in einer festgelegten Konfiguration, so befinden sich die übrigen beiden Photonen in einem verschränkten Zustand. “Vier gleichzeitige Detektorklicks der vier Hilfsphotonen signalisieren also die Aussendung eines Paares verschränkter Photonen”, erklärt die am Experiment beteiligte Physikerin Stefanie Barz.

Für die Realisierung von auf Verschränkung basierenden Technologien, wie optischen Quantennetzwerken und photonischen Quantencomputern, ist diese wissenschaftliche Arbeit der Wiener PhysikerInnen ein wichtiger Schritt.

Verschränkung in der Quantenmechanik

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die kaum mit dem alltäglichen, makroskopischen Verständnis der Welt vereinbar ist und kein Gegenstück in der klassischen Physik besitzt. Sind zwei Lichtteilchen (Photonen) miteinander verschränkt, so bleiben sie über beliebige Distanzen verbunden. Führt man eine Messung, z.B. des Polarisationszustandes, an einem der beiden Teilchen durch, so ändert sich auf “spukhafte Weise” auch der Zustand des anderen Teilchens.

Neben der fundamentalen Bedeutung von verschränkten Systemen, liefern diese auch vollkommen neue Ansätze zur Informationsverarbeitung und zur abhörsicheren Kommunikation unter Ausnutzung von quantenmechanischen Prinzipien. Verschränkte Photonen bilden daher seit vielen Jahren einen Ausgangspunkt für zahlreiche Grundlagenexperimente zur Quantenmechanik und sind die Basis für experimentelle Realisierungen von Konzepten zur Quanteninformationsverarbeitung. So wurden bereits einfache Quantencomputer realisiert, die die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um eine schnellere und sicherere Informationsverarbeitung zu ermöglichen.

Publikation:
Heralded generation of entangled photon pairs.
Stefanie Barz, Gunther Cronenberg, Anton Zeilinger, Philip Walther.
Nature Photonics. 27. Juni 2010. DOI 10.1038/NPHOTON.2010.156

Externer Link: www.univie.ac.at

Kostengünstig und umweltverträglich

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 24.06.2010

Regensburger Organokatalysatoren optimieren chemische Reaktionen für Forschung und Industrie

In vielen Bereichen der Industrie werden chemische Reaktionen gezielt eingesetzt. Von zentraler Bedeutung sind dabei Katalysatoren, die die Einleitung, Beschleunigung oder Lenkung chemischer Reaktionen (und somit die Katalyse) bewirken können und die sich überdies bei diesem Prozess nicht aufbrauchen. Forschungen auf dem weiten Feld der Katalyse sind deshalb von besonderem Interesse und wurden in den letzten Jahren gleich mehrfach mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Erstaunlicherweise hat sich die Katalyseforschung aber lange Zeit im Wesentlichen auf metallhaltige Katalysatoren konzentriert. Organokatalysatoren, die aus Elementen  wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff aufgebaut sind, werden dagegen erst seit Kurzem intensiver untersucht.

Die Metallkatalyse ist allerdings in der industriellen Produktion nicht immer unproblematisch. So sind zum Beispiel Metallspuren, die vom Katalysator in pharmazeutischen Produkten zurückbleiben können, wegen ihrer potentiellen Giftigkeit nur in minimalen Konzentrationen zugelassen, was oft aufwendige Reinigungsschritte erfordert. Die typischerweise verwendeten Organokatalysatoren sind dagegen zumeist robust, günstig erhältlich, ungiftig und einfach herzustellen. Sie könnten aufgrund dieser positiven Eigenschaften viele Probleme der metallischen Katalysatoren lösen und besitzen ein riesiges chemisches Reaktionspotential, sind aber in ihrer Funktionsweise noch weitgehend unverstanden und damit bisher sehr schwierig optimierbar.

Regensburger Forscher setzen auf Organokatalysator Prolin

An dieser Stelle setzte jetzt ein Regensburger Forscherteam um Prof. Dr. Ruth Gschwind, Dr. Kirsten Zeitler und Markus Schmid vom Institut für Organische Chemie der Universität Regensburg an. Die Wissenschaftler untersuchten einen speziellen Organokatalysator, die Aminosäure Prolin, die für eine ganze Reihe von chemischen Reaktionen – so beispielsweise in der Industrie für die Herstellung bzw. für die Synthese von Medikamenten – verwendet wird. Bislang waren der konkrete Ablauf von Prolin-Katalysen, die Zwischenstufen des Prozesses oder die „Zwischenprodukte“ bzw. Intermediate noch nicht hinreichend bekannt.

Den Regensburger Forschern gelang es, mit dem sogenannten Enamin-Intermediat ein zentrales Bindeglied für den Ablauf von prolinkatalysierten Aldolreaktionen – wichtigen Reaktionen für die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und ein grundlegendes Reaktionsprinzip in der organischen Chemie – zu identifizieren, zu analysieren und zu stabilisieren. Enamin-Intermediate konnten im Rahmen von Untersuchungen noch nie direkt nachgewiesen werden. Die Entdeckung und Untersuchung solcher Intermediate bei chemischen Reaktionen ist aber von entscheidender Bedeutung für das Verständnis und die Optimierung der gesamten Reaktionsbedingungen.

Neue und umweltverträgliche Verfahren für die industrielle Produktion möglich

Die Forschungen der Regensburger Chemiker eröffnen ganz neue Möglichkeiten zur Beschleunigung, Steuerung und Optimierung von chemischen Reaktionen. So könnten auf dieser Grundlage durch gezielte Manipulationen noch effizientere Katalysatoren auf organischer Grundlage entwickelt werden, was wiederum nachhaltigen Produktionsmethoden in der chemischen Industrie zugute kommen würde. Neue kostengünstige und gleichzeitig umweltverträgliche Verfahren könnten in diesem Zusammenhang die industrielle Produktion revolutionieren.

Die Forschungen der Regensburger Gruppe wurden vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht ( DOI: 10.1002/ange.200906629) . Darüber hinaus widmete das Magazin „Chemistry World“, bekanntes Publikationsorgan der Royal Society of Chemistry, der Regensburger Entdeckung einen längeren Artikel.

„Nachhaltige Chemie“ an der Universität Regenburg

Das Themenfeld „Nachhaltige Chemie“ ist an der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Universität Regensburg durch zahlreiche Aktivitäten verankert. So ist die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen als Ausgangsmaterialien für chemische Prozesse vor dem Hintergrund endlicher und sich verteuernder fossiler Ressourcen ein wichtiges Forschungsthema der Universität. Ziel ist dabei die effiziente Herstellung von synthetisch besonders wertvollen Produkten durch neue Katalyse- oder Reaktionsverfahren. Über das Engagement in Forschungsverbünden wie dem – durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierten – Graduiertenkolleg GRK 1626 „Chemische Photokatalyse“ oder der Deutsch-Indischen Graduiertenschule „INDIGO“ leistet die Universität auch einen maßgeblichen Beitrag für die Nachwuchsförderung in diesen Bereichen.

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Ersatzknochen aus der Laserschmelze

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juni 2010

Ein Loch im Kopf wird im medizinischen Ernstfall häufig mit einem Implantat versorgt. Während Ersatz aus Titan lediglich Lücken schließt, fördert ein neuartiges resorbierbares Implantat die Regeneration des Körpers: Es ist maßgeschneidert und schwindet im selben Maße wie der Knochen nachwächst.

Kleinere Knochenverletzungen kann der Körper selbst ausheilen, bei größeren braucht er Hilfe. Häufig kommen dann Implantate zum Einsatz. Im Gegensatz zu Dauerlösungen aus Titan sollen resorbierbare Implantate fehlende Knochenteile nur so lange ersetzen, bis die Lücke geschlossen ist. Je nach Größe des Defekts, Alters und Gesundheitszustands des Betroffenen kann das Monate oder Jahre dauern. Ein neues Implantat verbessert die Voraussetzungen für den Heilungsprozess. Es entstand im Projekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung »Resobone« und wird für jeden Patienten maßgefertigt. Anders als der bisher übliche Knochenersatz ist es nicht massiv aufgebaut, sondern porös: In Abständen von wenigen hundert Mikrometern durchziehen feine Kanäle das Implantat. »Seine Passgenauigkeit und die perfekte Porenstruktur in Verbindung mit dem neuen Biomaterial versprechen einen bislang nicht erreichten vollständigen knöchernen Umbau«, fasst Priv.-Doz. Dr. Dr. Ralf Smeets vom Uniklinikum Aachen die Ergebnisse der ersten Verträglichkeitsuntersuchungen zusammen.

Die Porenkanäle schaffen eine Gitterstruktur, in die der angrenzende Knochen hineinwachsen kann. Ihr Grundgerüst besteht aus dem Kunststoff Polylactid, kurz PLA. Darin eingelagerte Körnchen aus Tricalciumphosphat (TCP) sorgen für Festigkeit und regen den natürlichen Knochenheilungsprozess an. In Form von Pasten, Granulaten und Halbzeugen haben sich TCP und PLA bereits als resorbierbare Implantate bewährt. Der Körper kann beide Stoffe etwa so schnell abbauen, wie der natürliche Knochen nachwächst. Das Material lässt sich aber nur dort einsetzen, wo es nicht zu stark belastet wird: So sollen die »Resobone«-Implantate vor allem fehlende Gesichts-, Kiefer- und Schädelknochen ersetzen. Sie können derzeit bis zu 25 Quadratzentimeter große Lücken schließen. Ihre besondere Struktur wird durch ein Fertigungsverfahren möglich, das am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ursprünglich für den Aufbau industrieller Prototypen entwickelt wurde – das Selective Laser Melting (SLM): Ein hauchdünner Laserstrahl schmilzt den pulverisierten Werkstoff schichtweise zu Strukturen, die 80 bis 100 Mikrometer fein sein können.

Als Vorlage für die passgenaue Fertigung der Implantate dienen Computer-Tomographien des Patienten. Die Arbeitsabläufe von den CT-Aufnahmen über die Konstruktion des Implantats bis zu seiner Fertigung sind so aufeinander abgestimmt, dass sich Ersatz für ein defektes Jochbein in wenigen Stunden und ein fünf Zentimeter großes Schädelstück über Nacht herstellen lässt. Dazu kommt ein erheblicher Zeitgewinn während der Operation: »Bisher gibt es noch keine maßgefertigten resorbierbaren Implantate. Der Chirurg muss während der Operation TCP-Quader oder vorab entnommenes, patienteneigenes Knochenmaterial zuschneiden und in den Defekt einpassen«, erklärt Simon Höges, Projektleiter am ILT. Zudem verringert sich die Zahl der Operationen: Die Entnahme von Knochenersatz aus dem Beckenknochen des Patienten entfällt ebenso wie Folgeoperationen bei Kindern zum Austausch eines Dauerimplantats, das nicht mitgewachsen ist. »Unser Projektziel – eine geschlossene Prozesskette zur Herstellung individueller Knochenimplantate aus resorbierbaren Werkstoffen – haben wir erreicht«, zeigt sich Höges zufrieden. Nun sei es an den Projektpartnern, zu denen auch Implantathersteller gehören, die Ergebnisse in Produkte umzusetzen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Strom aus Plastik

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Pressemitteilung der Universität Freiburg vom 17.06.2010

Freiburger Forscher erzielen weltweit höchsten Füllfaktor für flexible Module aus organischen Solarzellen

Organische Solarzellen stehen für eine noch junge Technologie der Solarstromerzeugung. An ihrer Optimierung arbeitet das Freiburger Materialforschungszentrum (FMF) in enger Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Jetzt ist es dem Forschungsteam um Dr. Uli Würfel gelungen, den weltweit besten Wert beim Füllfaktor für flexible organische Solarzellen zu erzielen. Der Füllfaktor ist ein wichtiges Qualitätsmerkmal, das neben dem Kurzschlussstrom und der offenen Klemmenspannung die Effizienz der Solarzelle und damit die Leistungsausbeute bestimmt.

Mit dem Ziel, leichte und flexible Solarzellen zu entwickeln, forscht das FMF an leitfähigen Kunststoffen für den Einsatz in der organischen Photovoltaik. Damit ist es in Zukunft möglich, neben der Versorgung mobiler Kleingeräte auch Rollos und Markisen mit einer dünnen, Strom erzeugenden Folie zu versehen und so neue Anwendungsgebiete zu erschließen.

Das interdisziplinäre Forschungsinstitut FMF führt in enger Kooperation mit dem ISE Forschungsarbeiten zur organischen Photovoltaik durch. Die organische Photovoltaik ist im Vergleich zur bereits etablierten Silizium-Photovoltaik ein junges Forschungsgebiet, das sich in den letzten Jahren mit großer Dynamik weiterentwickelt hat. Im Gegensatz zu herkömmlichen, bereits auf dem Markt etablierten Solarzellen aus anorganischen Halbleitern nutzen organische Solarzellen für die Umwandlung des Sonnenlichts in elektrische Energie organische Materialien wie beispielsweise Polymere.

Wichtig für den Einsatz von Solarzellen ist neben dem Wirkungsgrad vor allem ihr Herstellungspreis. Hier besitzt die organische Photovoltaik ein enormes Potenzial, Kosten zu senken. Dies liegt zum einen daran, dass die verwendeten organischen Materialien sehr starke Absorber sind, das heißt es reicht bereits eine extrem dünne Schicht aus, das Sonnenlicht zu absorbieren, was wiederum einen niedrigen Materialverbrauch zur Folge hat. Zum anderen lässt sich diese Technologie mit Hilfe der äußerst effizienten Rolle-zu-Rolle Produktionstechnologie umsetzen. Daraus resultieren weitere Vorteile, wie etwa die Möglichkeit, flexible Solarzellen mit geringem Gewicht herstellen zu können. Mit dem für die photoaktive Schicht eingesetzten Materialsystem werden auf kleinen Flächen üblicherweise Effizienzen von etwas mehr als 3 Prozent erreicht. Mit einem Modul-Wirkungsgrad von 2,5 Prozent auf der aktiven Fläche von mehr als 25 Quadratzentimeter konnte die elektrische Serienverschaltung erfolgreich demonstriert werden. Damit ist den Freiburger Forschern jetzt nicht nur eine vielversprechende Effizienz gelungen, gleichzeitig konnten sie mit 64 Prozent den für flexible organische Solarmodule weltweit höchsten Füllfaktor realisieren. Ebenfalls ein für die Kosten entscheidender Vorteil ist die Tatsache, dass die in Freiburg entwickelten organischen Solarzellen aufgrund ihres invertierten Aufbaus ohne die üblicherweise in organischen Solarzellen verwendete und sehr teure Indium-Zinnoxid Elektrode auskommen.

Die bislang im Labor gefertigten Module bestehen aus elf in Serie geschalteten Zellen und liefern eine Spannung von 6,5 Volt. Als Prototypen im Rahmen eines Projekts dienen sie zur Versorgung eines energieautarken Sensorsystems, das in Kleidung integriert werden soll. Verschiedene Sensoren zur Erfassung von Umwelt- und physiologischen Parametern können eingebunden werden.

Die Forschungsarbeiten zur organischen Photovoltaik am FMF werden gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie die Fraunhofer-Gesellschaft (FhG). Zudem gibt es Kooperationen mit Industriepartnern.

Externer Link: www.uni-freiburg.de

Hitzeschutz für Proteine

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Pressemitteilung der TU München vom 18.06.2010

Wie Bakterien sich gegen Hitze schützen:

Weil es klein und robust ist und sich schnell vermehrt, ist das Darmbakterium Escherichia coli eines der wichtigsten „Arbeitspferde“ der Biotechnologie. Es produziert für uns Insulin und viele weitere pharmazeutisch wichtige Stoffe. Normalerweise fühlt sich das Bakterium bei 37° Celsius am wohlsten. Höhere Temperaturen verursachen dem Organismus Stress, Temperaturen über 46° Celsius sind bereits tödlich. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) haben nun an E. coli Bakterien untersucht, wie sich Organismen durch Evolution an höhere Temperaturen anpassen. In der aktuellen Ausgabe des Journal of Biological Chemistry berichten sie über ihre Ergebnisse.

Das Bakterium Escherichia coli ist nicht nur im menschlichen Darm zu Hause, es ist auch eines der wichtigsten „Arbeitspferde“ im Labor. Eine Vielzahl pharmazeutisch wichtiger Substanzen werden inzwischen biotechnologisch durch gentechnisch veränderte E. coli-Bakterien hergestellt, beispielsweise das Insulin. Während in der chemischen Produktion die Faustregel gilt, dass eine um zehn Grad höhere Temperatur eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge hat, sind die Verhältnisse in der Biotechnologie viel komplizierter. Zwar steigt die Produktivität von E. coli bei höheren Temperaturen zunächst, oberhalb von 42° Celsius gerät der Organismus jedoch zunehmend unter Stress und produziert weniger brauchbare Proteine. Temperaturen über 46° Celsius sind für Wildtyp-E. coli bereits tödlich.

Dem Team um Jeannette Winter, Biochemikerin und Leiterin der Emmy-Noether-Gruppe „Oxidative Stress“ im Department Chemie der TU München, gelang es nun, E. coli-Bakterien durch Evolution über mehrere Jahre hinweg stufenweise eine sehr viel höhere Hitzeresistenz anzuzüchten. Ihre Bakterien wachsen mittlerweile bei Temperaturen von 48,5° Celsius. Hier scheint aber für den Organismus E. coli eine natürliche Grenze zu existieren. Höhere Wachstumstemperaturen erreichten die Forscher nicht.

Im Vergleich zu einer bei 37° Celsius aus den gleichen Vorfahren gezüchteten Kontrollpopulation enthielten die hitzeresistenten Bakterien das als Hitzeschutzprotein bekannte GroE schon bei normalen Bedingungen in 16-fach höherer Konzentration. Allerdings hat die Hitzeresistenz ihren Preis: Da der Organismus durch den andauernden Stress Veränderungen im Erbgut trägt und sehr viel Energie in die Produktion von Hitzeschutzproteinen steckt, wächst er insgesamt langsamer als seine Vorfahren.

Dahinter steht ein komplexer Prozess: Jedes Protein besteht aus einer langen Kette von Aminosäuren. Erst durch kunstvolle Faltung zu einer dreidimensionalen Struktur wird daraus das funktionierende Protein. Dabei helfen Chaperone genannte Proteine, wie das GroE. Es stabilisiert Proteine, die bei höheren Temperaturen instabil werden und hilft, durch Mutationen instabiler gewordene Proteine trotzdem in ihre funktionale Form zu bringen. „Die Fähigkeit der hitzeresistenten Bakterien, wesentlich höhere Konzentrationen an GroE produzieren zu können, ist ein entscheidender Faktor für die Überlebensfähigkeit unter diesen Bedingungen“, sagt Jeannette Winter.

Über die evolutionsbiologischen Aspekte hinaus liefert die Untersuchung der Arbeitsgruppe wertvolle Hinweise darauf, wie sich Organismen an veränderte Umweltbedingungen anpassen. „Ein besseres Verständnis der Arbeit der Chaperone könnte auch neue Wege für die gezielte Züchtung von Organismen für spezielle Aufgaben öffnen“, sagt Jeannette Winter. „Das sind nicht nur Bakterien zur Produktion von pharmazeutisch interessanten Proteinen sondern beispielsweise auch Bakterien, die unter harten Umweltbedingungen Umweltgifte abbauen können.“

Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln des Exzellenzclusters Center for Integrated Protein Science Munich, dem Elitenetzwerk Bayern, dem Fonds der chemischen Industrie sowie der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG; SFB 594 und Emmy-Noether Programm)

Original-Publikation:
Evolution of Escherichia coli for Growth at High Temperatures,
Birgit Rudolph, Katharina M. Gebendorfer, Johannes Buchner, and Jeannette Winter
Journal of Biological Chemistry, 2010 285: 19029-19034

Externer Link: www.tu-muenchen.de