Archiv des Monats: März 2011

TU-Physiker drehen Lichtstrahlen

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Presseaussendung der TU Wien vom 30.03.2011

Lichtwellen gezielt rotieren – dieses Kunststück gelang an der Technischen Universität (TU) Wien mit Hilfe einer ultradünnen Halbleiterschicht. Damit lässt sich ein Transistor bauen, der mit Licht statt elektrischem Strom funktioniert.

Lichtwellen können in unterschiedliche Richtungen schwingen – ähnlich wie eine gespannte Saite, die von oben nach unten oder auch von links nach rechts schwingen kann, je nachdem, wie man sie anzupft. Man spricht dabei von der Polarisationsrichtung des Lichtes. Physiker an der TU Wien haben gemeinsam mit einer Forschungsgruppe der Universität Würzburg nun eine Methode entwickelt, die Schwingungsrichtung von Licht mit einer ultradünnen Halbleiterschicht gezielt zu kontrollieren und beliebig zu drehen. Für die weitere Erforschung von Licht und seiner Polarisation ist das ein wichtiger Schritt nach vorn – und vielleicht öffnet dieser Durchbruch auch Möglichkeiten für ganz neuartige Computertechnik: Das Experiment entspricht der logischen Schaltung eines Transistors. Die Resultate der Experimente dazu wurden nun im angesehenen Journal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Magnetfeld steuert das Licht

Die Polarisationsrichtung von Licht kann sich ändern, wenn man es in einem starken Magnetfeld durch bestimmte Materialien schickt – dieses Phänomen ist als „Faraday-Effekt“ bekannt. „Bei allen bisher dafür bekannten Materialien war dieser Effekt allerdings recht schwach“, erklärt Prof. Andrei Pimenov, der die Forschungen gemeinsam mit seinem Assistenten Alexey Shuvaev durchführte. Durch die Verwendung von Licht des richtigen Wellenlängenbereiches und mit Hilfe von extrem sauberen Halbleitern aus Quecksilber-Tellurid konnte in Wien und in Würzburg allerdings ein um Größenordnungen stärkerer Effekt erzielt werden: Damit lassen sich nun Lichtwellen in beliebige Richtungen drehen – man kann die Schwingungsrichtung durch die Stärke des äußeren Magnetfeldes präzise steuern. Erstaunlicherweise reichen dafür ultradünne Halbleiterschichten von weniger als einem Tausendstel Millimeter Dicke aus. „Mit anderen Materialien dieser Dicke könnte man die Polarisationsrichtung des Lichtes höchstens um Bruchteile eines Grades verändern“, meint Prof. Pimenov. Schickt man den Lichtstrahl danach durch einen Polarisationsfilter, der nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung durchlässt, so kann man durch Drehung der Polarisation gezielt steuern, ob das Licht durchgelassen werden soll oder nicht.

Der Schlüssel zu diesem erstaunlichen Effekt liegt in den Elektronen des Halbleiters: Der Lichtstrahl versetzt die Elektronen in Schwingung, das zusätzlich angelegte Magnetfeld lenkt sie während des Schwingens ab. Diese komplizierte Elektronenbewegung beeinflusst nun ihrerseits den Lichtstrahl und verändert die Polarisationsrichtung.

Optischer Transistor

Bei dem Experiment wurde eine Schicht aus dem Halbleiter Quecksilber-Tellurid mit Licht im Infrarotbereich bestrahlt. „Das Licht hat eine Frequenz im Terahertz-Bereich – das sind die Frequenzen, die vielleicht die übernächste Generation von Computern erreichen wird“, meint Prof. Pimenov. „Seit Jahren erhöht sich die Taktfrequenz von Computern kaum noch, weil man eben in einen Bereich vorgedrungen ist, in dem die Materialeigenschaften nicht mehr problemlos mitspielen.“ Eine mögliche Lösung wäre, elektronische Schaltungen durch optische Elemente zu ergänzen. Bei einem Transistor, dem Grundelement der Elektronik, wird ein elektrischer Stromfluss abhängig von einem zusätzlichen Eingangssignal gesteuert. Beim Experiment an der TU Wien wird ein Lichtstrahl durch ein äußeres Magnetfeld gesteuert – die beiden Systeme sind einander sehr ähnlich. „Man könnte unser System als einen Licht-Transistor bezeichnen“, schlägt Pimenov vor.

Bevor allerdings an optische Computerschaltungen zu denken ist, wird sich der neu entdeckte Effekt in jedem Fall als sehr nützliches Forschungswerkzeug erweisen: In optischen Labors wird er in Zukunft sicher eine wichtige Rolle bei der Untersuchung von Materialien und der Physik des Lichtes spielen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Giant Magneto-Optical Faraday Effect in HgTe Thin Films in the Terahertz Spectral Range
Phys. Rev. Lett. 106, 107404 (2011)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Dritte Dimension in gezielter Zellkultivierung realisiert

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.03.2011

CFN-Wissenschaftler entwickeln ein Zweikomponenten-Polymergerüste für die kontrollierte drei-dimensionale Zellkultur

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es Forschern des DFG-Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) gelungen, gezielt Zellen auf dreidimensionalen Strukturen zu kultivieren. Das Faszinierende dabei: Den Zellen werden Mikrometer kleine „Griffe“ am Gerüst angeboten, an denen sie anhaften können – und zwar nur an diesen, am restlichen Gerüst finden sie keinen Halt. Dadurch wird die Zellhaftung und somit die Zellform erstmalig präzise in 3D beeinflusst. Damit ist dem Team um Professor Martin Bastmeyer ein großer Fortschritt im Bereich des Biomaterial-Engineerings gelungen.

Bisher existieren bereits zahlreiche Ansätze für die Zellkultur in dreidimensionalen Umgebungen, die meist aus Agarose, Kollagenfasern oder Matrigel hergestellt werden. Sie sollen die flexible dreidimensionale Wirklichkeit, in der Zellen normalerweise agieren, simulieren und damit realitätsnähere Versuche ermöglichen, als dies mit Zellkulturen in „zweidimensionalen Petrischalen“ möglich ist. Allerdings ist diesen Ansätzen bisher eines gemeinsam: Sie sind meist heterogen zusammengesetzt und weisen zufällige Porengrößen auf. Daher sind sie strukturell und biochemisch schlecht charakterisiert.

Ziel für die Forschungsgruppe Bastmeyer war es nun, definierte dreidimensionale Wachstumssubstrate für die Zellkultur zu entwickeln. Zellen sollen sich darin nicht zufällig, sondern nur an bestimmten Stellen anheften. So lassen sich Parameter wie Zellform, Zellvolumen, intrazelluläre Kraftentwicklung oder zelluläre Differenzierung systematisch in Abhängigkeit von der äußeren Geometrie der Umgebung bestimmen. Diese Erkenntnisse sind nützlich, um später gezielt dreidimensionale Wachstumsumgebungen für Gewebekulturen, die beispielsweise in der regenerativen Medizin benötigt werden, in größerem Maßstab herzustellen.

Dieses Ziel wurde mithilfe eines speziellen Polymergerüsts verwirklicht. Das Gerüst selbst besteht aus einem flexiblen, proteinabweisenden Polymer mit kleinen quaderförmigen Griffen aus einem proteinbindenden Material. Den Gerüstbau vollzogen die Wissenschaftler mithilfe des am CFN von den Physikern Professor Martin Wegener und Prof. Dr. Georg von Freymann entwickelten Verfahrens des Direkten Laserschreibens (DLS). Mit diesem war es möglich, eine proteinabweisende Struktur zu fabrizieren, die aus 25µm hohen Pfosten besteht, die in unterschiedlichen Höhen mit dünnen Sprossen verbunden sind. In einem zweiten Lithograpie-Schritt wurden dann die Haftgriffe exakt in der Mitte der Sprossen platziert. Mit Hilfe einer Lösung von Haftungsproteinen binden die Proteine nur an diesen kleinen Griffen. Einzelne Zellen besiedeln dann innerhalb von zwei Stunden das Gerüst und adhärieren nur an den vorgegeben Haftpunkten.
 
Mit dieser Grundlagenforschung haben die Wissenschaftler des CFN in Karlsruhe erstmalig geeignete Materialien angefertigt, in dem das Wachstum einzelner Zellen gezielt dreidimensional kontrolliert und manipuliert werden kann. Dies ist ein wichtiger Schritt zum allgemeinen Verständnis, wie die natürliche dreidimensionale Umgebung im Gewebe das Verhalten von Zellen beeinflusst. (te)

Literatur:
Klein, F., Richter, B., Striebel, T., Franz, C. M., Freymann, G. v., Wegener, M. and Bastmeyer, M., Two-Component Polymer Scaffolds for Controlled Three-Dimensional Cell Culture. Advanced Materials, Volume 23, Issue 11, pages 1341-1345, March 18, 2011, DOI: 10.1002/adma.201004060

Externer Link: www.kit.edu

Nature: Saarländische Wissenschaftler identifizieren wichtiges menschliches Geruchs-Gen

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 23.03.2011

Was haben Schmerzempfinden und die Wahrnehmung von Gerüchen miteinander zu tun? Auf den ersten Blick gar nichts. Auf genetischer Ebene aber sehr viel. Wie saarländische Wissenschaftler nun gemeinsam mit Kollegen aus Großbritannien, den USA und Frankreich herausgefunden haben, ist ein einziges Gen dafür verantwortlich, dass Menschen sowohl Schmerz als auch Düfte wahrnehmen können. Bei Patienten mit einem Funktionsausfall dieses Gens, das die Bezeichnung SCN9A trägt, fehlen diese beiden wichtigen Sinnesempfindungen. Die neuen Ergebnisse zeigen detailliert, wie die Funktion dieses Gens zu einer direkten Kontrolle der gesamten Nervenaktivität des Geruchssystems führt. Diese Erkenntnisse wurden jetzt im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.

Seit 2006 sorgen Studien über das fehlende Schmerzempfinden bei einer bestimmten Gruppe von Patienten in der Fachwelt für Aufsehen. Diese Patienten brechen sich zum Beispiel die Knochen, ohne dabei Schmerzen zu empfinden. Da dieser Defekt besonders oft in bestimmten Familien vorkommt, haben die Wissenschaftler eine genetische Veränderung dahinter vermutet. Tatsächlich konnte ein einziges Gen identifiziert werden, das für das fehlende Schmerzempfinden verantwortlich ist. Dabei handelt es sich um das Gen mit der Bezeichnung SCN9A, das einen bestimmten Natrium-Ionenkanal kodiert. Trägt dieses Gen eine spezifische Mutation, so kann dieser Natrium-Kanal vom Körper nicht hergestellt und in die Zellmembran der schmerzempfindlichen Nervenzellen eingebaut werden. Die Folge ist, dass keine Nervenreize mehr weitergeleitet werden können, so dass letztendlich im Gehirn kein Schmerzempfinden ausgelöst werden kann.

„Wir haben uns gefragt, ob derselbe Natrium-Kanal auch für die Funktion der Nervenzellen im Riechsystem wichtig sein könnte“, erklärt Professor Frank Zufall, Leiter der Abteilung „Molekulare Medizin Sensorischer Systeme“ am Institut für Physiologie der Universität des Saarlandes in Homburg und federführender Wissenschaftler der Geruchs-Studie, die Fragestellung des „Nature“-Artikels.

Nachdem das Forscherteam herausfinden konnte, dass dieser spezielle Natrium-Kanal namens Nav1.7 auch stark in den olfaktorischen Sinneszellen der Nase vorhanden ist, stellte sich die Frage nach der konkreten Funktion dieses Kanals. Dazu wurde das Gen in den Riechsinneszellen von Mäusen ausgeschaltet. Tatsächlich zeigten diese Mäuse, genau wie die Patienten mit einem veränderten SCN9A-Gen, einen völligen Ausfall ihres Geruchssystems, ein Zustand, der als „generelle Anosmie“ bezeichnet wird.

Dabei hatten die Wissenschaftler eine harte Nuss zu knacken: „Das Schwierige war, dass die Sinneszellen in der Nase, die am Anfang der Wahrnehmung stehen, nach wie vor auf Düfte reagieren und Aktionspotenziale feuern, wenn der Nav1.7-Kanal ausgeschaltet ist“, erklärt Frank Zufall. Das heißt, die Zellen in der Nase funktionieren trotz defektem Gen einwandfrei und leiten elektrische Reize, die von Düften ausgelöst werden, weiter. Die Forscher mussten also weitersuchen, bis sie herausfanden, dass bei fehlendem Nav1.7-Kanal im Verlauf des Geruchsnervs, an der ersten Schaltstelle zum Gehirn, die Reizweitergabe in Richtung Gehirn völlig blockiert war.

Die Wissenschaftler haben damit eine neue Strategie entwickelt, um menschliche Gene, die für das Riechen verantwortlich sind, zu identifizieren und ihre Funktionsweise zu entschlüsseln: Sie suchen nach Genen, die für den Defekt eines Sinnessystems – hier Schmerzempfinden – verantwortlich sind, und überprüfen, ob dieselben Gene auch für andere Sinnessysteme – hier das Riechen – benutzt werden. Das hat pragmatische Gründe: „Vielleicht gibt es ja auch Patienten mit angeborener Taubheit oder Blindheit, die gleichzeitig nicht riechen können“, erklärt Professor Zufall dieses Vorgehen. Die Gene, die den menschlichen Geruchssinn steuern, sind bisher so gut wie unbekannt.

Neben der Identifizierung des ersten menschlichen Gens, das die Nervenübertragung des gesamten Geruchssystems direkt steuert, sowie einem besseren molekularen Verständnis unserer Sinnessysteme kann diese Arbeit auch ganz konkrete Anwendungen möglich machen. „Die Erkenntnisse sind von großem kommerziellen Interesse, da der Nav1.7-Natriumkanal einen wichtigen Angriffspunkt für die Herstellung neuartiger Schmerzmittel darstellt“, erklärt Frank Zufall. Damit können potentielle Nebenwirkungen dieser Medikamente besser verstanden werden.

Diese Arbeit wurde unter anderem von den DFG-Sonderforschungsbereichen SFB 530 „Räumlich-zeitliche Interaktionen zellulärer Signalmoleküle“ und SFB 894 „Ca2+-Signale: Molekulare Mechanismen und Integrative Funktionen“, der internationalen Graduiertenschule GK 1326 „Calcium-Signaling and Cellular Nanodomains“ sowie der Volkswagen-Stiftung gefördert.

Publikation:
„Loss-of-function mutations in sodium channel Nav1.7 cause anosmia“; Frank Zufall, Trese Leinders-Zufall, Jan Weiss, Martina Pyrski, Eric Jacobi, Bernd Bufe, Bernhard Schick, Vivienne Willnecker, Samuel J. Gossage, John N. Wood, C. Geoffrey Woods, Charles A. Greer, Philippe Zizzari; Nature, doi: 10.1038/nature09975

Externer Link: www.uni-saarland.de

Knopf im Ohr misst Temperatur und Puls

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Pressemitteilung der TU München vom 23.03.2011

Absolventen der TU München gründen Firma für Sensortechnik:

So klein und unauffällig wie ein Hörgerät ist ein neues Thermometer, das im Ohr die Körperkerntemperatur des Menschen kontinuierlich misst. Diese ist wichtig, um die Leistungsfähigkeit von Sportlern zu beurteilen oder um Schutzkleidung für Feuerwehrleute oder Astronauten zu entwickeln. Erfunden hat das Gerät, das gleichzeitig den Puls misst und etwa den Brustgurt zur Pulsmessung ablösen könnte, ein Doktorand der Technischen Universität München (TUM), der jetzt mit zwei weiteren Absolventen eine Firma gründet und den Sensor erstmals auf der Hannover Messe präsentiert.

Funktionskleidung zu testen ist für die Probanden meist etwas unangenehm. Denn während sie in einer Klimakammer auf einem Heimtrainer strampeln, wird ihre Körperkerntemperatur gemessen, die anzeigt, wie gut die Funktionskleidung die Körperwärme reguliert. Weil die Probanden Sport treiben, können sie keine gewöhnlichen Fieberthermometer unter Zunge oder Achselhöhle halten, zudem ist es wichtig, die Temperatur kontinuierlich zu messen. Deshalb wird die Wärme im Körperinneren von speziellen Sonden bestimmt – in der Speiseröhre oder rektal.

Im sportlichen Training zeigt die Körperkerntemperatur den Leistungsstatus des Menschen an – viel genauer als der Puls. Der lässt sich zwar leichter messen und die meisten Sportler orientieren sich daran, zwei Bierchen am Vorabend können den Puls allerdings schon in die Höhe treiben.

Einen Sensor zu entwickeln, der für den praktischen Alltag gemacht ist und drahtlos Daten des Körpers übermittelt, war die Aufgabe für den Doktoranden Johannes Kreuzer am TUM-Lehrstuhl für Realzeit-Computersysteme. Er entschied sich für einen Temperatursensor, der die Körpertemperatur im Ohr misst und damit bei Bewegungen nicht hinderlich ist. Das Gerät ist so klein wie ein Hörgerät, lässt sich angenehm tragen und ist gut geeignet für den Sport, wie erste Tests mit Autorennfahrern und Marathonläufern zeigten. Auch in einer sportwissenschaftlichen Studie an der TUM zeigte der Sensor, wie sich das Material von Laufshirts auf die Körpertemperatur auswirkt.

Der Tragekomfort war die größte Herausforderung, erklärt Kreuzer: „Der Sensor muss einerseits eng im Gehörgang anliegen, um zuverlässig zu messen. Andererseits darf der Sensor auch nicht drücken. Das war ziemlich knifflig.“ Das Ergebnis ist ein Gerät, das die Temperatur auf 0,01 Grad Celsius genau bestimmt und gleichzeitig auch die Pulsfrequenz feststellt.

Zusammen mit zwei weiteren Absolventen gründet Johannes Kreuzer jetzt ein Unternehmen, das den Sensor herstellt. Anwendungen sieht der Elektroingenieur nicht nur im Umfeld des Sports. Das Gerät könnte auch in der Entwicklung von Schutzkleidung für Feuerwehrleute hilfreich sein und beim Testen der hermetisch geschlossenen Anzüge von Astronauten oder Reinraum-Arbeitern, meint Kreuzer – die Probanden würden es ihm wohl danken.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Teamarbeit bei Katalysatorpartikeln

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 21.03.2011

Verschiedene Komponenten steigern Fähigkeiten winziger Teilchen

Jeder Fußballexperte weiß genau: Eine erfolgreiche Mannschaft benötigt Spieler mit unterschiedlichsten Fähigkeiten. Ähnlich verhält es sich offensichtlich bei komplexen chemischen Prozessen, die durch katalytische Materialien beschleunigt werden. Diese Katalysatoren bestehen aus verschiedenen, nur wenige Nanometer großen Komponenten, deren Zusammenarbeit von entscheidender Bedeutung ist. Wenn die Teamarbeit funktioniert, entstehen Fähigkeiten, die über diejenigen der einzelnen Komponenten weit hinausgehen.

Dies konnten nun eine Forschergruppe der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) unter Leitung von Jörg Libuda, Professor für Physikalische Chemie, im Rahmen eines internationalen Kooperationsprojektes mit Arbeitsgruppen aus Barcelona, Prag und Triest zeigen. Die Ergebnisse dieses Projektes, das unter anderem auch durch den Erlanger Excellenzcluster Engineering of Advanced Materials unterstützt wird, wurden soeben in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht (DOI 10.1038/NMAT2976).

„Black magic“ in der Katalysator-Produktion

Heterogen katalysierte Prozesse spielen eine entscheidende Rolle bei der energie- und rohstoffeffizienten Produktion der meisten industriell hergestellten Chemikalien, ebenso wie bei zukünftigen Schlüsseltechnologien in der Energietechnik und der Umwelttechnik. Mit dem Wort „heterogen“ wird ausgedrückt, dass der Katalysator und die reagierenden Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen: als Feststoff, Gas oder Flüssigkeit. Die hier eingesetzten Materialien sind meist hochkomplex. Einblicke in die Funktionsweise solcher Materialien zu erhalten, erweist sich daher als außerordentlich schwierig. Aus diesem Grunde werden heterogene Katalysatoren in den meisten Fällen rein empirisch – durch Versuch und Irrtum – optimiert, weshalb deren Herstellung in vielen Fällen als „schwarze Magie“ umschrieben wird.

Dem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, vereinfachte Modellsysteme für solche Katalysatoren herzustellen. Diese gestatten auf der einen Seite Untersuchungen mittels modernster experimenteller Verfahren, zum Beispiel mittels sogenannter Synchrotronstrahlung, auf der anderen Seite aber auch die Anwendung moderner theoretischer, sogenannter quantenmechanischer Methoden. Zusammen bieten Theorie und Experiment die Möglichkeit, detaillierte Einblicke in die Funktionsweise dieser komplexen Materialien zu erhalten.

Dabei zeigte es sich, dass es gerade diese komplexe Struktur ist, die neue Eigenschaften entstehen lässt: Die Katalysatoren bestehen aus Oxid- und Metallpartikeln, die nur wenige Nanometern groß sind, aber in engen Kontakt gebracht werden müssen. Die besondere chemische Reaktivität entsteht dann durch Zusammenarbeit der unterschiedlichen Komponenten. Nur wenn sie in Form kleiner Nanopartikel vorliegen, können diese untereinander hochreaktive Sauerstoffspezies austauschen und dadurch völlig neue Reaktionswege eröffnen.

Externer Link: www.uni-erlangen.de