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Smartpump: Klein, aber leistungsstark

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2017

Feinstaub schädigt Herz und Lunge. Vor einer hohen Belastung könnte in Zukunft ein Smartphone mit eingebautem Gassensor warnen. Damit der Sensor schnell anspricht und genaue Messwerte liefern kann, haben Fraunhofer-Forscher eine leistungsstarke Mikromembranpumpe entwickelt, die die Umgebungsluft zuführt.

»Unsere Smartpump ist nur fünfundzwanzig Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, sagt Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet.

Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen nutzen Richter und sein Team den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, dadurch Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Druck wird durch Trick erhöht

Herkömmliche piezoelektisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Unsymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen, also ein Restvolumen, dessen Gasinhalt nicht ausgestoßen wird. Durch einen Trick ist es Richter und seinem Team gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: »Wir spannen die Membran bei der Montage der Piezokeramik mit dem Piezoeffekt definiert vor. Das hat den Vorteil, dass wir keine tiefe Pumpkammer mehr benötigen. Dieser Trick ermöglicht nicht nur Mikropumpen mit hohen Kompressionsverhältnissen, sondern auch insgesamt kleiner zu bauen.«

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall, aus dem auch Solarzellen oder Computerchips hergestellt werden, ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen. »Unser Ziel ist, die Pumpe auf eine Größe von zehn Quadratmillimeter zu verkleinern. Dann wäre die Massenfertigung rentabel. Wir sind hier auf einem guten Weg«, sagt Richter.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaub-Belastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist und die Fenster zum Lüften geöffnet werden sollten. Auch eine Atemluft-Analyse wäre prinzipiell möglich, beispielsweise um den Alkohol-Gehalt zu kontrollieren. »Allerdings ist hier eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, die zurzeit noch nicht erzielt wird. Sonst setzt sich jemand in dem Glauben, nur 0,3 Promille zu haben, hinter das Steuer, hat aber in Wirklichkeit 0,9«, warnt Richter.

Vielfältig einsetzbar

Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Medikamenten-Pflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Oder als Implantat, mit dessen Hilfe sich der Augeninnendruck bei einer Glaukom-Therapie regulieren ließe. Maschinen könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden. »Diese Anwendung entwickeln wir bereits mit einem Partner aus der Industrie.«

Im Rahmen des Förderprogramms »Discover«, das unkonventionelle und originelle Ideen unterstützt, erforschen Richter und seine Kollegen noch ein weiteres Anwendungsgebiet: das Hinterlegen von Audio- und Videodateien mit Duftszenarien. »Unsere Smartpump wird in einem Headset verbaut und verabreicht nasennah genau dosierte Düfte. Die Gaming-Industrie hat bereits Interesse angemeldet.« Generell sei die Smartpump für alle Anwender interessant, die kleinste Mengen an Flüssigkeiten oder Gasen genau dosieren wollen.

Das Smartpump-Projekt wird gefördert durch die Fraunhofer-Zukunftsstiftung, die das Ziel verfolgt, Innovation und Beschäftigung am Standort Deutschland mittels der Lizenzierung von Forschungsergebnissen an Unternehmen zu stärken.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Für Quanten ist es nie zu kalt

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Presseaussendung der TU Wien vom 27.07.2017

Die merkwürdigen Eigenschaften sogenannter „quantenkritischer Punkte“ am absoluten Temperatur-Nullpunkt gehören immer noch zu den großen Rätseln der Wissenschaft.

Normalerweise muss sich die Temperatur ändern, damit man einen Phasenübergang beobachten kann: Es wird kalt, und eine Flüssigkeit gefriert. Ein Metall wird heiß und verliert seine magnetischen Eigenschaften. Doch es gibt auch Phasenübergänge, bei denen sich die Temperatur nicht ändern kann, weil sie direkt am absoluten Temperatur-Nullpunkt stattfinden. Man spricht dann von „quantenkritischen Punkten“ – sie werden seit Jahren intensiv erforscht, halten aber noch immer große Rätsel der Quantenphysik bereit.

So gibt es etwa bis heute kein umfassendes theoretisches Modell für die Hochtemperatur-Supraleitung, die vermutlich mit den quantenkritischen Punkten eng zusammenhängt – dabei könnte ein solches Modell viele nützliche technische Anwendungen hervorbringen. Thomas Schäfer, Karsten Held und Alessandro Toschi vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien arbeiten an einem besseren Verständnis dieser Phänomene, neue Ideen dazu veröffentlichten sie nun im Journal „Physical Review Letters.“

Fluktuationen: Alles, was wackeln kann, wackelt

„Normalerweise sind thermische Fluktuationen für Phasenübergänge verantwortlich“, erklärt Thomas Schäfer. „Auf ganz zufällige Weise beginnen zum Beispiel einzelne Teilchen zu wackeln oder sich zu drehen. Je höher die Temperatur, umso ausgeprägter werden diese Fluktuationen, und das kann zu einem Phasenübergang führen – zum Beispiel zum Schmelzen eines Festkörpers.“

Verringert man die Temperatur, dann gehen die Bewegungen der Teilchen immer mehr zurück, bis sie sich am absoluten Nullpunkt eigentlich gar nicht mehr bewegen sollten. Somit, so könnte man annehmen, müsste am absoluten Temperatur-Nullpunkt vollkommene Ruhe eingekehrt sein, bei der sich nichts mehr verändern kann – aber ganz so einfach ist die Sache nicht.

„Die Quantenphysik verbietet, dass sich ein Teilchen völlig ruhig an einem ganz bestimmten Ort aufhält“, sagt Alessandro Toschi. „Die Unschärferelation von Heisenberg sagt uns, dass Ort und Impuls nicht völlig exakt bestimmt sein können. Daher können sich Ort und Impuls des Teilchens auch am absoluten Nullpunkt ändern, auch wenn die klassischen thermischen Fluktuationen verschwunden sind. Man spricht dann von Quantenfluktuationen.“

Wenn es also zu kalt ist, um klassische Wackelbewegungen zu erlauben, sorgt immer noch die Quantenphysik dafür, dass physikalisch interessante Dinge geschehen können. Und genau deshalb sind Phasenübergänge beim Temperatur-Nullpunkt immer so interessant.

Impuls und Energie

„Entscheidend für das Verhalten der Teilchen ist, wie ihr Impuls mit der Energie zusammenhängt“, sagt Thomas Schäfer. Bei einer Kugel, die durch die Luft geworfen wird, ist der Zusammenhang einfach: Je höher der Impuls, umso höher die Bewegungsenergie. Die Energie steigt mit dem Quadrat des Impulses. Bei Teilchen in einem Festkörper ist dieser Zusammenhang aber viel komplizierter. Je nach Richtung, in die sich das Teilchen bewegt, kann er ganz unterschiedlich aussehen. Man stellt diesen Zusammenhang daher mit sogenannten „Fermi-Flächen“ dar, die komplizierte dreidimensionale Formen annehmen können.

„Bisher dachte man, dass die Form dieser Fermi-Flächen bei Quantenphasenübergängen keine wichtige Rolle spielt“, sagt Karsten Held. „Wir konnten nun zeigen, dass das nicht so ist. Erst wenn man die Form berücksichtigt, kann man bestimmte physikalische Effekte korrekt berechnen – zum Beispiel die Art, wie sich magnetische Eigenschaften eines Materials verändern, wenn man sich dem absoluten Nullpunkt nähert.“

Mit diesem neuen Werkzeug hoffen die Forscher nun, quantenkritische Materialien besser beschreiben zu können – und vielleicht lassen sich so einige der großen Geheimnisse lüften, an denen in der Materialwissenschaft seit Jahren so intensiv geforscht wird.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Austria-Russia FWF-Projekts „Quantenkritikalität in stark korrelierten Magneten (QCM)“ (I-610 N16), unter der Leitung von Prof. Alessandro Toschi (Institut für Festkörperphysik der TU Wien) und durch die langfristige Kooperation mit Prof. Andrey Katanin (Institut of Metal Physics, Ekaterinburg, Russia), erzielt. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
T. Schäfer, A. A. Katanin, K. Held, and A. Toschi: Interplay of Correlations and Kohn Anomalies in Three Dimensions: Quantum Criticality with a Twist.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Im Strom der Bläschen

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Presseinformation der LMU München vom 21.07.2017

In Zellvesikeln spielen Ionenkanäle bei zahlreichen Transportvorgängen eine entscheidende Rolle. LMU-Wissenschaftler haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie diese molekularen Schleusen spezifischer als bisher untersuchen können.

In Tierzellen bilden kleine Bläschen membranumgebene Vesikel, die als Endo- und Lysosomen bezeichnet werden und an zahlreichen Transportprozessen beteiligt sind. Ionenkanäle, durch die geladene Teilchen durch die Vesikelmembran geschleust werden, nehmen dabei eine Schlüsselposition ein. Defekte in diesem System spielen für die Entstehung zahlreicher Stoffwechselkrankheiten eine wichtige Rolle. Deshalb ist die Entschlüsselung ihrer Funktion auch therapeutisch bedeutsam. PD Christian Grimm und Professor Christian Wahl-Schott vom Department Pharmazie der LMU gehören zu den europaweit führenden Experten für die Untersuchung von endolysosomalen Ionenkanälen mithilfe der sogenannten Patch-Clamp-Technik, die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Protocols beschreiben. Dem LMU Team ist es am von Professor Martin Biel geleiteten Lehrstuhl für Pharmakologie nun gelungen, die Methode so weiter zu entwickeln, dass spezifisch bestimmte Vesikel analysiert werden können. Dies eröffnet ganz neue Perspektiven, gezielt einzelne Ionenkanäle anzusteuern und zu modifizieren. Über die Weiterentwicklung der Methode berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Journals Cell Chemical Biology.

Das endolysosomale System der Zelle besteht aus sogenannten frühen und späten Endosomen, sowie Recycling-Endosomen und Lysosomen. Die verschiedenen Vesikel-Typen erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Frühe Endosomen nehmen in der Nähe der Zellmembran Partikel auf, die dann entweder über die Recycling-Endosomen zurück an die Zellmembran gelangen, oder zu den späten Endosomen und dann zu den Lysosomen transportiert werden, wo sie mithilfe von Enzymen zerlegt werden. Dieses System ist an zahlreichen Stoffwechselprozessen beteiligt und spielt auch bei der Regulierung des Schwermetallhaushalts oder für die korrekte Lokalisation bestimmter Membranrezeptoren eine wichtige Rolle. Dabei sind eine Vielzahl verschiedener Ionenkanäle involviert: „Laut Proteomstudien gibt es bis zu 70 verschiedene Ionenkanal-Transportproteine im Lysosom und Endosom“, sagt Grimm.

Mit der Patch-Clamp-Technik können die Wissenschaftler den Stromfluss durch einzelne Ionenkanäle messen und so feststellen, ob der Kanal aktiv oder inaktiv ist. Dazu saugen die Forscher einen kleinen Membranbereich mit einer Mikropipette leicht an. Mit einer Mikroelektrode legen sie anschließend eine Prüfspannung an und schicken einen Strom durch die Saugelektrode. „Allerdings sind die Vesikel in ihrem ursprünglichen Zustand zu klein, um von der Patch-Pipette erfasst zu werden, deshalb müssen sie vor der Messung vergrößert werden“, sagt Grimm. Die bisherigen pharmakologischen Tools hierfür vergrößerten allerdings unspezifisch alle endolysosomalen Vesikel-Typen. Auf der Suche nach besseren Wirkstoffen screenten die Wissenschaftler verschiedene Substanzen und entdeckten, dass eine bestimmte Kombination zweier Bio-Toxine sehr selektiv nur frühe Endosomen vergrößert, indem diese Vesikel zur Fusion angeregt werden. Außerdem konnten sie zeigen, dass ein weiteres Molekül selektiv nur späte Endosomen und Lysosomen vergrößert, während Recycling-Endosomen von keinem dieser Stoffe beeinflusst werden.

„Das ist ein großer Fortschritt, weil wir nun zwei Toolsets für eine spezifischere Herangehensweise haben und gezielt untersuchen können, welcher Kanal in welchem Vesikel aktiv ist“, sagt Grimm. Mit ihrem neuen Ansatz konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sogenannte TRPML3-Ionenkanäle, die den Kationenhaushalt und den pH-Wert regulieren, sowohl in frühen als auch in späten Endosomen und Lysosomen aktiv sind, während der verwandte TRPML1-Ionenkanal nur in späten Endosomen und Lysosomen, nicht jedoch in frühen Endosomen vorkommt. TRPML-Kanäle spielen bei der Entstehung zahlreicher Krankheiten eine Rolle, etwa bei der Mukolipidose, einer seltenen Stoffwechselkrankheit, die das Nervensystem beeinträchtigt. „Mit unserer weiterentwickelten Technik haben wir erstmals einen selektiven Zugang zu diesen Ionenkanälen. Das ist auch wichtig für mögliche therapeutische Anwendungen, mit denen gezielt bestimmte Kanäle gehemmt werden sollen“, sagt Grimm.

Publikationen:
Nature Protocols 2017
Cell Chemical Biology 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Molekül aus der Natur macht Akku-Elektrode hochleistungsfähig

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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