Molekül aus der Natur macht Akku-Elektrode hochleistungsfähig

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.07.2017

Neuartiges Material auf der Basis des organischen Moleküls Porphyrin ermöglicht im Labor eine Ladezeit von nur einer Minute

Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen alle auf dem Molekül Porphyrin auf. Und auch Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. In der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition stellen nun Forscher des KIT das neue Materialsystem vor, das Basis sein könnte für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht sie für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Professor Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat nun ein neues Speichermaterial vorgestellt, welches die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium Ionen erlaubt. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. Dadurch wird die Struktur der Elektrode im Labor in hohem Maße stabilisiert und mehrere tausende Lade- und Entladezyklen wurden möglich.

Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute. Aktuell betriebene Experimente deuten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lässt und der Speicher neben Lithium auch auf mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden kann.

„Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder von Vitamin B12“, erklärt Fichtner. Man setzt technische Varianten solcher Materialien bereits ein etwa in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken. Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen. „Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt – aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator“, so Fichtner. (ase)

Publikation:
P. Gao, Z. Chen, Zh. Zhao-Karger, J.E. Mueller, Ch. Jung, S. Klyatskaya, T. Diemant, O. Fuhr, T. Jacob, J. Behm, M. Ruben, M. Fichtner, Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage, Angew. Chemie Int. Ed. (2017) doi:10.1002/ange.201702805

Externer Link: www.kit.edu

Kopplung von Nanotrompete mit Quantenpunkt erlaubt exakte Positionsbestimmung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.07.2017

Wissenschaftlern aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Institutes und des Departement Physik der Universität Basel ist es gelungen, einen winzig kleinen Quantenpunkt mit einem tausendfach grösseren trompetenförmigen Nanodraht zu koppeln. Über die Wellenlänge des Lichts, das vom Quantenpunkt ausgesendet wird, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. Umgekehrt kann durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser die Schwingung des Nanodrahtes beeinflusst werden. «Nature Communications» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Die Teams um Professor Richard Warburton und Argovia-Professor Martino Poggio vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Universität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mechanischen Resonator von Mikrometergrösse mit einem nanometergrossen Quantenpunkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nanodrähte aus Galliumarsenid, die etwa 10 Mikrometer lang sind und oben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufgereihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nanometer breiten Basis platzierten die Wissenschaftler einen einzelnen Quantenpunkt, der einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden kann.

Schwingungen führen zu Spannungen

Schwingt nun der Nanodraht aufgrund einer thermischen oder elektrischen Anregung hin und her, führt die verhältnismässig grosse Masse am breiten Ende der Nanotrompete zu recht grossen Spannungen im Draht, die sich auf den Quantenpunkt an der Basis auswirken. Die Quantenpunkte werden zusammengequetscht und auseinandergezogen. Daraufhin verändert sich die Wellenlänge und damit die Farbe der vom Quantenpunkt ausgesendeten Photonen. Die Veränderungen sind zwar nicht besonders gross, doch eigens für derartige Messungen in Basel entwickelte sensible Mikroskope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellenlängenveränderungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den veränderten Wellenlängen die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser, die Schwingung des Nanodrahtes je nach Wunsch vergrössern oder verringern lässt.

Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie denkbar

«Uns fasziniert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unterschiedlicher Grösse möglich ist», bemerkt Professor Richard Warburton. Es gibt aber auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser gegenseitigen Kopplung. «Wir können diese gekoppelten Nanodrähte beispielsweise als sensible Sensoren zur Analyse von elektrischen oder magnetischen Feldern einsetzen», erläutert Argovia-Professor Martino Poggio, der mit seinem Team verschiedene Anwendungen von Nanodrähten untersucht. «Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quantenpunkte auf dem Nanodraht zu platzieren, diese über die Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben», ergänzt Richard Warburton, dessen Gruppe den vielfältigen Einsatz von Quantenpunkten in der Photonik im Fokus hat.

Künstliche Atome mit besonderen Eigenschaften

Quantenpunkte sind Nanokristalle, die auch künstliche Atome genannt werden, da sie sich ähnlich wie Atome verhalten. Mit einer typischen Ausdehnung von 10 – 100 Nanometern sind sie deutlich grösser als natürliche Atome. Ihre Grösse und Form sowie die Zahl der enthaltenen Elektronen lässt sich variieren. In den Quantenpunkten sind Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit deutlich eingeschränkt. Die daraus resultierenden Quanteneffekte verleihen ihnen ganz besondere optische, magnetische und elektrische Eigenschaften. So sind Quantenpunkte beispielsweise in der Lage nach einer Anregung einzelne Lichtteilchen (Photonen) auszusenden, die dann mithilfe eines massgeschneiderten Lasermikroskops erfasst werden können.

Originalartikel:
Mathieu Munsch, Andreas V. Kuhlmann, Davide Cadeddu, Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Resonant driving of a single photon emitter embedded in a mechanical oscillator
Nature Communications (2017) | DOI: s41467-017-00097-3

Externer Link: www.unibas.ch

Lernende Maschinen sagen die Eigenschaften von Röntgenstrahlen-Impulsen voraus

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 12.07.2017

Mithilfe lernender Rechner ist es einer Forschungsgruppe mit Beteiligung der Universität Kassel gelungen, die Eigenschaften spezieller Röntgen-Strahlung aus sogenannten Freie-Elektronen-Lasern (XFELs) genau und schnell zu bestimmten. Das macht Experimentatoren in aller Welt viele Untersuchungen von Molekülen und Atomen leichter und eröffnet neue Möglichkeiten der Grundlagenforschung in der Physik, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft.

XFELs stoßen eine extrem helle und vielseitige Strahlung aus, die in der Grundlagenforschung eingesetzt wird, um Moleküle und Atome in Großanlagen wie der Photonenquelle European XFEL in Hamburg zu beschießen und beim Zerfall zu untersuchen. Doch um die gewonnenen Daten exakt auszuwerten, müssen die Eigenschaften jedes Strahlungsimpulses – Intensität, Puls-Dauer, Wellenlänge – genau bestimmt werden. Das war bislang nur mit sehr aufwändigen und zeitintensiven Verfahren möglich.

Eine fast fünfzigköpfige Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat ein Verfahren entwickelt, die Eigenschaften der Impulse mit sehr großer Genauigkeit vorherzusagen. Beteiligt waren mit Gregor Hartmann und Andre Knie auch zwei Experimentalphysiker der Universität Kassel. Die Kasseler Wissenschaftler übernahmen dabei wesentliche Experimente an der LCLS in Kalifornien. Die Ergebnisse wurden jetzt im renommierten Forschungsjournal Nature Communications veröffentlicht.

Für ihre neue Methode entwickelten die Wissenschaftler einen Trick: Bestimmte Eigenschaften von XFEL-Impulsen lassen sich nur mit einem sehr aufwändigen und langwierigen Verfahren bestimmen. Andere Eigenschaften können mit einem schnelleren Verfahren bestimmt werden, das aber nur einen Teil der nötigen Daten liefert. Die Wissenschaftler brachten ihren Rechnern bei, diese beiden Datensätze miteinander zu verknüpfen und die Beziehung zwischen ihnen zu verstehen; von den „schnelleren“ Daten können die Computer nun auch auf die Daten rückschließen, die sonst nur sehr langsam zu gewinnen wären. „Man kann sich das vorstellen wie bei einer Sprache“, vergleicht Dr. André Knie, Mitarbeiter am Institut für Physik und Geschäftsführer des Forschungsverbunds „Elektronendynamik chiraler Systeme (ELCH)“: „Wir haben dem Algorithmus beigebracht, wie die Struktur, wie die ,Grammatik‘ der Eigenschaften von XFEL-Impulsen aussieht – neue Vokabeln können dann aus dem Kontext erschlossen werden. Das bedeutet, dass die Rechner selbstständig die Ergebnisse neuer Experimente auswerten können.“ Die Treffgenauigkeit liegt bei 97 Prozent.

„Für die Grundlagenforschung bedeutet dies, dass der Einsatz von XFELs viel praktikabler wird“, erläutert Knies Kollege Dr. Gregor Hartmann. „Atome und Moleküle lassen sich so in Zukunft umfassender, schneller und einfacher untersuchen. Unsere Arbeitsgruppe wird diese Technik einsetzen, um beispielsweise die Chiralität, die Händigkeit von Molekülen zu untersuchen“, also die Frage, warum sich Moleküle aus denselben Elementen oft völlig unterschiedlich verhalten. „Das Verfahren kann aber auch die Entwicklung neuer digitaler Speicherverfahren beschleunigen und im Grunde in allen Naturwissenschaften zum Einsatz kommen.“

Die Forschungsgruppe „ELCH – Elektronendynamik chiraler Systeme“ wurde vom Land Hessen im Rahmen des LOEWE-Programms gefördert. Auch durch dieses Programm hat sich an der Universität Kassel ein Kompetenzcluster für die Untersuchung von Materie mithilfe von Laser-Impulsen profiliert.

Publikation:
Sanchez-Gonzalez, A. et al. Accurate prediction of X-ray pulse properties from a free-electron laser using machine learning. Nat. Commun. 8, 15461 doi: 10.1038/ncomms15461 (2017).

Externer Link: www.uni-kassel.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juli 2017

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Knowledge Management and Big Data in Business
Eric Tsui (The Hong Kong Polytechnic University) et al.
Start: 25.07.2017 / Arbeitsaufwand: 36-48 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Handysteuerung mit Gesichtsgesten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.07.2017

Mobilgeräte nehmen einen immer wichtigeren Platz in unserem Leben ein – in manchen Situationen können sie jedoch nicht angemessen gesteuert werden, und schon das Annehmen eines Anrufs ist eine echte Herausforderung. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD in Rostock haben in einer Studie evaluiert, welche alternativen Steuerungskonzepte sich eignen, um die herkömmliche Steuerung mobiler Geräte zu ergänzen. Viel Potenzial verspricht die Eigenentwicklung EarFieldSensing (EarFS), die Gesichtsgesten über einen speziellen Ohrstöpsel erkennt und neben dem Einsatz an Mobilgeräten weitere Entwicklungsmöglichkeiten bietet.

Moderne Mobilgeräte werden meist mithilfe eines Touchscreens gesteuert. Im Alltag gibt es jedoch viele Situationen, in denen sich diese Art der Bedienung nicht umsetzen lässt. Trägt man zum Beispiel Handschuhe oder hat die Hände mit Einkäufen voll, ist das Nutzen von Smartphone und Co. nur schwer möglich. Wissenschaftler des Fraunhofer IGD suchen daher nach alternativen Konzepten zur Steuerung mobiler Geräte. Naheliegend ist die Steuerung via Sprache. Doch Herausforderungen wie Umgebungslärm sowie die soziale Akzeptanz setzen der Sprachsteuerung enge Grenzen. Die Lösung der Fraunhofer-Experten: Die Steuerung über Kopf- und Gesichtsgesten wie Augenzwinkern, Lächeln oder Nicken.

EarFS misst das Lächeln im Ohr

Im Rahmen der Erforschung berührungsloser Steuerung für mobile Szenarien evaluierten die Rostocker Forscher und Forscherinnen verschiedene Technologien, mit denen Kopf- sowie Gesichtsbewegungen ausgelesen werden können. Dabei kam besonders der Alltagstauglichkeit große Bedeutung zu. So sind zum Beispiel Systeme, die Gesten mithilfe von Sensoren direkt im Gesicht ablesen, zwar sehr genau und in der Lage, eine große Zahl an Gesten zu erkennen. Allerdings sind sie derart auffällig und unangenehm zu tragen, dass sie sich nicht für den täglichen Gebrauch in der Öffentlichkeit eignen. Dafür bedarf es möglichst unauffälliger Systeme wie zum Beispiel EarFS, einer Eigenentwicklung des Fraunhofer IGD. Dabei handelt es sich um einen speziellen Ohrstöpsel, der die Muskelströme und Verformungen des Ohrkanals misst, die bei Gesichtsbewegungen auftreten. Der Sensor registriert bereits kleinste Bewegungen im Gesicht durch die Art, wie sich die Form des Ohrkanals verändert, und misst Muskelströme, die bei der Bewegung des Gesichts oder des Kopfes entstehen.

»Die Herausforderung war, dass diese Ströme und Bewegungen mitunter sehr klein sind und verstärkt werden müssen«, erklärt Denys Matthies, Wissenschaftler am Fraunhofer IDG. »Außerdem dürfen die Sensoren sich nicht von anderen Bewegungen des Körpers, zum Beispiel den Erschütterungen beim Gehen oder von externen Interferenzen stören lassen. Dafür wurde eine zusätzliche Referenzelektrode an das Ohrläppchen angebracht, die die von außen kommenden Signale registriert.« Die im Inneren des Ohrs erfassten Signale werden mit den von außen kommenden Signalen abgeglichen – das verbleibende Nutzsignal ermöglicht eine eindeutige Gesichtsgestenidentifizierung, selbst wenn der EarFS-Träger sich bewegt.

Zahlreiche Einsatz- und Weiterentwicklungsmöglichkeiten

EarFS ermöglicht nicht nur Mikrointeraktionen mit dem Smartphone wie etwa das Annehmen und Ablehnen von Telefonanrufen oder die Steuerung des Music-Players. Die Auswertung der Gesichtsbewegungen erlaubt auch Rückschlüsse auf Müdigkeit, Anstrengung und andere Gemütszustände des Nutzers. Dadurch könnten Smartphones beispielsweise Autofahrer warnen, wenn verstärkt Zeichen von Müdigkeit und Erschöpfung registriert werden, oder sich automatisch lautlos stellen, wenn ihr Besitzer hoch konzentriert arbeitet. Denkbar ist der Einsatz der Technologie auch im medizinischen Bereich. Zum Beispiel könnte sie Menschen mit Locked-in-Syndrom helfen, leichter zu kommunizieren, indem sie ihnen ermöglicht, Computer mit Gesichtsbewegungen zu steuern. Doch damit ist das Potenzial von EarFS noch lange nicht erschöpft. »Das Differential Amplification Sensing, also das Verstärken von Muskelströmen und Ohrkanalverformungen bei gleichzeitigem Herausfiltern von externen Signalen, füllt eine Forschungslücke«, so Matthies. »Mit der Technologie können wir auch an anderen Stellen des Körpers Aktivitäten ablesen und von externen Signalen trennen: Dies eröffnet uns weitere Einsatzmöglichkeiten, darunter die komplementäre Steuerung von Maschinen in der Industrie 4.0.«

Externer Link: www.fraunhofer.de