Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 21.09.2023

Wissenschaftler der Universitäten San Diego und des Saarlandes haben jüngst ein neues Kohlenstoff-Molekül entdeckt. Dieses Molekül ist eine Weiterentwicklung der so genannten Carbene. Diese Stoffe, deren künstliche Erzeugung vor einigen Jahrzehnten erstmals gelang, haben heute eine überragende Bedeutung in der Industrie, etwa in OLED-Displays oder als Katalysatoren in der chemisch-pharmazeutischen Industrie. Ihre wegweisenden Erkenntnisse haben die Wissenschaftler nun in Nature publiziert.

Die Welt der Stoffe und Moleküle folgt in der Natur festen Regeln. So besagt die sogenannte Oktett-Regel, dass Kohlenstoffmoleküle mit jeweils acht Elektronen pro Atomhülle stabil sind. In jüngster Zeit gelang es der Chemie jedoch, diese Regeln bis zu einem gewissen Grad zu brechen, um Moleküle zu erschaffen, die ganz neuartige und in der modernen Welt gefragte Eigenschaften haben. Dies gelang vor drei Jahrzehnten mit den Carbenen, welche nur noch sechs Valenzelektronen aufweisen.

Anfangs wusste man noch nicht so recht, wozu die neuartigen Verbindungen nützlich sein könnten. „Sehr schnell stellte sich dann heraus, dass Carbene eine überragende Rolle in der organischen Photovoltaik und Mikroelektronik, etwa bei der Entwicklung so genannter organischer LED-Bildschirme, kurz OLEDs, spielen werden“, führt Dominik Munz als Beispiel an. Carbene seien inzwischen auch in der chemisch-pharmazeutischen Industrie als Katalysatoren von chemischen Prozessen nicht mehr wegzudenken, so Munz weiter.

Dem Professor für Koordinationschemie an der Universität des Saarlandes ist es nun gemeinsam mit Kollegen der Universität San Diego gelungen, von diesem Molekül noch zwei weitere Elektronen zu entfernen, so dass eine ganz neue Stoffklasse entstehen kann. Ihre Erkenntnisse sind so bedeutsam, dass sie es nun ins Fachmagazin Nature geschafft haben.

„Die internationale Zusammenarbeit beruht auf meiner Postdoc-Phase in den USA, die ich in der Arbeitsgruppe von Guy Bertrand an der Universität von San Diego verbracht habe“, erklärt der Wissenschaftler. „In dieser Zeit sowie in den letzten Jahren haben wir solche Moleküle quantenchemisch vorhergesagt und uns auch überlegt, wie man diese im Labor herstellen könnte.“ Durch eine elegante Synthesemethode ist es nun Ying Kai Loh, Postdoktorand bei Professor Bertrand an der Universität San Diego, gelungen, solch ein Molekül tatsächlich im Labor zu erschaffen.

Ob damit ebenfalls derart umwälzende Anwendungen wie mit den Carbenen möglich sind, steht in den Sternen. Vor 30 Jahren jedenfalls standen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die die Oktett-Regel damals brechen konnten, ebenfalls vor der Frage: „Und nun?“

Der Rest ist Geschichte.

Originalpublikation:
Loh, Y.K., Melaimi, M., Gembicky, M. et al. A crystalline doubly oxidized carbene. Nature (2023).

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 19.04.2023

So genannte lumineszierende Solarkonzentratoren können diffuses Sonnenlicht einfangen, um es für die Stromerzeugung zu verwenden. Die Sonnenstrahlung wird durch farbige Kunststoffplatten aufgefangen, an den Rändern wandeln Mikrosolarzellen das entstandene Licht in Elektrizität um. In einer Kooperation der Universität des Saarlandes mit der Universität Pisa wurde ein an der UdS entwickeltes Material nun erstmals für flexible Solarkonzentratoren eingesetzt.

An vielen Orten der Erde trifft genügend Sonneneinstrahlung auf, um Energie zu erzeugen. Jedoch will man nicht überall die klassischen dunklen Photovoltaikelemente zur Energieerzeugung verwenden. Lumineszierende Solarkonzentratoren ermöglichen die Kombination von Energieerzeugung und farbigen Designelementen beispielsweise im Bereich des Bauwesens. In der Arbeitsgruppe von Guido Kickelbick, Professor für Anorganische Festkörperchemie an der Universität des Saarlandes, wird seit einigen Jahren an flexiblen, silikonartigen Materialen geforscht, die speziell für optische Anwendungen geeignet sind. „Durch Einbettung von fluoreszierenden Farbstoffen gelingt es uns, langzeitstabile optische Elemente zu erzeugen, die farbig sind und beim Auftreffen von Licht an den Seiten stark leuchten“, so Professor Kickelbick. Das Phänomen ist von Designelementen aus dem Garten bekannt. Dort gibt es flache Skulpturen, die nahezu transparent sind und an den Rändern stark fluoreszieren.

Das Funktionsprinzip hinter dieser Technologie ist, dass ein Farbstoff, der in Kunststoff eingebettet ist, durch bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts angeregt wird. Dabei werden Elektronen im Farbstoff auf höhere Energieniveaus angeregt; beim Zurückfallen in den Grundzustand schließlich wird Licht einer längeren Wellenlänge emittiert, welches an den Rändern des Kunstoffkörpers aufkonzentriert wird.

Bringt man an den Kanten kleine Solarzellen an, so lässt sich Strom erzeugen. Dieses Prinzip funktioniert selbst mit diffusem Licht in der Dämmerung. „Bisher war es lediglich möglich, solche Bauelement aus hartem Plastik, wie zum Beispiel Plexiglas, zu erzeugen. Unser Material, welches aus einem speziell vernetzten Silikonharz besteht, ermöglicht nun auch flexible Bauelemente“, erläutert Guido Kickelbick. Aufgrund der chemischen Eigenschaften des in Saarbrücken synthetisierten Materials zeigen die Bauelemente eine hohe Umwandlungsleistung und eine hohe Lebensdauer, was sie für Außenanwendungen prädestiniert.

Die Eigenschaften der Farbstoff-Silikonharz Mischungen wurden an der Universität Pisa in der Arbeitsgruppe von Professor Andrea Pucci untersucht. Mit lumineszierenden Solarkonzentratoren ist selbst an Standorten mit einer hohen indirekten Strahlung eine Nutzung des konzentrierten Sonnenlichts möglich, auch wenn die Effizienz nur gering ist. Sie liegt im optimalen Fall nur bei wenigen Prozent.

Dennoch stellen die Elemente eine interessante Ergänzung zu herkömmlichen Photovoltaikelementen dar. Die bunten, transparenten und lichtdurchlässige Solarkollektoren können aufgrund der ansprechenden Optik direkt in Gebäudestrukturen integriert werden, beispielsweise in Lärmschutzwände an Autobahnen. Bisher wurden lediglich rote Farbstoffe für die Einbettung verwendet, aber in Zukunft sind auch weitere Farben geplant.

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Presseaussendung der TU Wien vom 27.02.2023

Manchmal laufen chemische Reaktionen nicht nur stationär in eine Richtung ab, sondern zeigen räumlich-zeitliche Schwankungen. An der TU Wien wurde dabei nun ein Übergang zum chaotischen Verhalten auf der Nanometer-Skala beobachtet.

Chaotisches Verhalten kennt man normalerweise von großen Dingen: Vom Wetter zum Beispiel, von Asteroiden im Weltraum, die von mehreren großen Himmelskörpern gleichzeitig angezogen werden, oder von schwingenden Pendeln, die man miteinander koppelt. Auf atomaren Größenordnungen hingegen stößt man normalerweise nicht auf Chaos – dort überwiegen fast immer andere Effekte. Nun konnte man an der TU Wien allerdings erstmals klare Anzeichen von Chaos auf Nanometer-Skala nachweisen – und zwar bei chemischen Reaktionen auf winzigen Rhodium-Kristallen. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Communications“ publiziert.

Von inaktiv zu aktiv – und wieder zurück

Die chemische Reaktion, die man analysierte, ist eigentlich ganz einfach: mit Hilfe eines Edelmetall-Katalysators reagiert Sauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser, das ist auch das Grundprinzip einer Brennstoffzelle. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt dabei von äußeren Bedingungen (Druck, Temperatur) ab. Unter bestimmten Voraussetzungen zeigt diese Reaktion allerdings ein oszillierendes Verhalten, obwohl die äußeren Bedingungen konstant sind. „So ähnlich wie ein Pendel von links nach rechts schwingt und wieder zurück, oszilliert die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen kaum wahrnehmbar und hoch und damit das katalytische System zwischen inaktiv und aktiv hin und her“, erklärt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien.

Ein Pendel ist ein klassisches Beispiel für etwas Berechenbares – wenn man es ein bisschen stört oder es zweimal auf leicht unterschiedliche Arten in Bewegung setzt, verhält es sich danach im Großen und Ganzen gleich. Es ist in gewissem Sinn das Gegenteil von einem chaotischen System, bei dem minimale Änderungen der Ausgangsbedingungen zu höchst unterschiedlichen Ergebnissen im Langzeitverhalten führen. Ein Paradebeispiel für ein solches chaotisches System sind mehrere Pendel, die mit elastischen Schnüren miteinander verbunden sind.

Zweimal exakt gleiche Anfangsbedingungen sind unmöglich

„Grundsätzlich legen Naturgesetze natürlich immer noch exakt fest, wie sich die Pendel verhalten“, sagt Prof. Yuri Suchorski (TU Wien). „Könnten wir ein solches gekoppeltes System aus Pendeln zweimal exakt auf dieselbe Art starten, würden sich die Pendel beide Male genau gleich bewegen.“ Doch in der Praxis ist das unmöglich: Man wird beim zweiten Mal nie perfekt dieselbe Ausgangssituation herstellen können wie beim ersten mal – und schon ein winziger Unterschied in der Ausgangslage bewirkt, dass sich das System später völlig anders verhält als beim ersten Mal – das ist der berühmte „Schmetterlingseffekt“: Winzige Unterschiede in den Anfangsbedingungen führen zu riesengroßen Unterschieden im Zustand zu einem späteren Zeitpunkt.

Etwas ganz Ähnliches konnte man nun anhand von chemischen Oszillationen auf einem Rhodium-Nanokristall beobachten: „Der Kristall besteht aus vielen verschiedenen winzigen Oberflächen-Facetten, so ähnlich wie ein geschliffener Diamant, allerdings viel kleiner, in einer Größenordnung von Nanometern“, erklären Maximilian Raab und Johannes Zeininger, die die Experimente durchgeführt haben. „Auf jeder dieser Facetten oszilliert die chemische Reaktion, aber die Reaktionen auf benachbarten Facetten sind miteinander gekoppelt.“

Umschalten – von Ordnung zu Chaos

Das Kopplungsverhalten lässt sich nun aber auf bemerkenswerte Art steuern – und zwar, indem man die Menge an Wasserstoff verändert. Zunächst dominiert eine Facette und gibt wie ein Dirigent den Takt vor. Alle anderen Facetten schließen sich an und oszillieren im selben Takt mit. Erhöht man die Wasserstoff-Konzentration, wird die Situation komplizierter. Unterschiedliche Facetten oszillieren mit unterschiedlichen Frequenzen – aber immer noch ist ihr Verhalten periodisch und gut vorhersagbar. Wenn man dann allerdings die Wasserstoff-Konzentration noch weiter erhöht, bricht diese Ordnung plötzlich zusammen. Das Chaos gewinnt, die Oszillationen werden unvorhersehbar, winzige Unterschiede in der Anfangssituation führen zu völlig unterschiedlichen Schwingungsmustern – ein klares Anzeichen von Chaos.

„Das ist bemerkenswert, weil man chaotisches Verhalten in nanometergroßen Strukturen eigentlich nicht erwarten würde“, sagt Yuri Suchorski. Je kleiner das System, desto größer ist der Beitrag des stochastischen Rauschens, eigentlich müsste das Rauschen, das etwas völlig anderes als Chaos ist, das Verhalten des Systems dominieren: umso interessanter, dass es gelungen ist, die Indizien für Chaos „herauszufiltern“. Ein theoretisches Modell, entwickelt von Prof. Keita Tokuda (Universität Tsukuba), hat dabei wesentlich geholfen.

Chaosforschung auf Nano-Chemie übertragen

„An Chaostheorie forscht man seit Jahrzehnten, es ist auch bereits gelungen, diese an chemische Reaktionen in größeren (makroskopischen) Systemen anzuwenden, aber unsere Studie ist der erste Versuch, das umfassende Wissen aus diesem Bereich auf die Nanometer-Skala zu übertragen“, sagt Günther Rupprechter. „Winzige Abweichungen in der Symmetrie des Kristalls können darüber entscheiden, ob sich der Katalysator geordnet und vorhersagbar oder ungeordnet und chaotisch verhält. Das ist für unterschiedliche chemische Reaktionen wichtig – und vielleicht sogar für biologische Systeme.“

Die Arbeiten wurden vom FWF gefördert (P32772-N und SFB TACO F81-P08). (Florian Aigner)

Originalpublikation:
M. Raab et al.: Emergence of chaos in a compartmentalized catalytic reaction nanosystem; Nature Communications, 14, 736 (2023).

Externer Link: www.tuwien.at

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 26.01.2023

Den Effekt kennt man von Schmetterlingen oder Opalen: Je nach Lichteinfall schillern Tiere oder Edelsteine in verschiedenen Regenbogenfarben. Solche „Strukturfarben“ verblassen nicht und sind ungiftig. Bisher konnten solche Farben künstlich nur als dünner Film hergestellt werden. Die Chemiker Lukas Siegwardt und Markus Gallei von der Universität des Saarlandes haben nun ein Verfahren gefunden, wie sie dreidimensionale komplexe Objekte drucken können, die brillante Strukturfarben zeigen.

Ihre Methode haben sie im renommierten Fachjournal Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Im menschlichen Miteinander gilt „Harte Schale, weicher Kern“ als Gütezeichen für den menschlichen Charakter. Im Falle des Forschungsgegenstandes von Markus Gallei und Lukas Siegwardt hingegen verhält es sich genau andersherum. Der Professor für Polymerchemie und sein Doktorand haben „perfekte Partikel“ hergestellt, deren harter Kern von einer weichen Schale umgeben ist. „Perfekte Partikel“ bezeichnet in diesem Fall Teilchen, die allesamt identisch groß und geformt sind. Diese Ausgangsmaterialien, die in der Regel aus gängigen Materialien wie Polystyrol oder Ethylacrylaten bestehen, haben Lukas Siegwardt und sein Professor nun so verändert, dass sie auch im 3-D-Drucker verarbeitet werden können.

Das war bisher nicht möglich. Seit 2001 können solche Farben zwar künstlich hergestellt werden, allerdings nur als sehr dünner Film, der Bruchteile eines Millimeters dick ist. „Dabei wird das Material mittels Industriepressen oder Folienwalzanlagen verarbeitet. Daraus wird dann ein buntes Material, das seine Farbe verändern kann“, erklärt Professor Gallei. Man kann daran ziehen, Strom anlegen, die Temperatur verändern, den pH-Wert und viele weitere Parameter beeinflussen, die allesamt dazu führen, dass die Farbe sich ändert. „Man kann das Material beliebig schalten“, nennt Markus Gallei solche Vorgänge. Solche Farben haben zwei große Vorteile: Sie sind zum einen völlig unschädlich im Gegensatz zu vielen anderen Farben. Und sie bleichen niemals aus. Hinzu kommt ihre schier unendliche Wandlungsfähigkeit, die bisher nur dadurch begrenzt wurde, dass sie als hauchdünner Film hergestellt werden konnten. Nun hingegen wären 3-D-Objekte aus solchen Materialien als vielfältig einsetzbare Sensoren für allerlei Messmethoden oder als Fälschungsschutz für Waren denkbar, um nur zwei Beispiele zu nennen. Man kann die Partikel so herstellen, dass sie jede denkbare Eigenschaft besitzen und ebenfalls leicht in Form zu bringen sind.

Lukas Siegwardt demonstriert die Wandlungsfähigkeit des Stoffes, indem er an einem ausgedruckten, etwa fünf Zentimeter langen Prüfling zieht. Die vormals rote Farbe des Objekts verändert sich immer mehr ins Blaue, je mehr der Doktorand daran zieht. „Damit habe ich schon einen einfachen Sensor, der auf Zug- und Druckkräfte reagiert“, erklärt der junge Wissenschaftler.

Markus Gallei erklärt die Chemie, die dahintersteckt. Die hat mit den eingangs erwähnten „perfekten Partikeln“ aus den Standard-Polymeren zu tun, die in Rohform als weißes, pudriges Pulver in die Industriepresse und nun auch in den 3-D-Drucker kommen. „Diese Partikel ordnen sich während des Druckens in einem regelmäßigen Muster an, welche dann unterschiedliche Farben haben, je nachdem, wie die Abstände zwischen den Partikeln sind.“ Die weichen Schalen der einzelnen Partikel zerfließen zu einer fließfähigen Masse, welche die harten Kerne umgibt. Zieht man an einem Objekt, verändert man die Abstände zwischen den einzelnen Kern-Partikeln, und die Farbe ändert sich. Die harten, perfekten Partikel bewegen sich in dem weichen umgebenden Medium und ordnen sich zu einem neuen Muster an. „Man quetscht quasi den Honig zwischen den einzelnen Kügelchen raus“, erklärt Markus Gallei mit einem Bild den Vorgang auf molekularer Ebene. So verändern sich die Partikelabstände und damit auch die Farbwiedergabe.

Um ein solches Material auch für einen 3-D-Druck aufzubereiten, war eine Menge Laborarbeit nötig. Das war insbesondere Lukas Siegwardts Part. „Ich habe das Material so verändert, dass es sich drucken lässt. Ich habe Monate gebraucht, bis ich die richtige Zusammensetzung gefunden habe“, sagt der Doktorand rückblickend. Dabei waren zwei harte Nüsse zu knacken: Zum einen musste Siegwardt die Fließeigenschaften des pulvrigen Ausgangsstoffes so verändern, dass sie die Düsen des Druckers nicht verstopften, sprich: das Pulver möglichst rückstandsfrei gedruckt werden konnte. „Zweiter Punkt waren die thermischen Eigenschaften. Beim Pressen muss das Ausgangsmaterial etwa 120 Grad Celsius verkraften. Beim 3-D-Druck fallen aber Temperaturen von 140 bis teilweise 200 Grad Celsius an“, erklärt der Wissenschaftler die Anforderungen an das Material. „Viele Materialien sind mir im Laufe der Monate kaputtgegangen“, erinnert er sich. Bis er letzten Endes doch die richtige Mischung gefunden hat.

So haben die beiden saarländischen Wissenschaftler die Basis dafür geschaffen, dass mit der neuartigen Methode nun Anwendungsgebiete gefunden werden können, in denen die schillernden Objekte sinnvoll nutzbar sein können. Weicher Schale, hartem Kern sei Dank.

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 10.02.2022

Monica Fernández-Quintero und Klaus Liedl vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Uni Innsbruck haben zusammen mit Wissenschaftler*innen der University of Chicago, des Scripps Research Institute und der Icahn School of Medicine eine neue Klasse breit neutralisierender Antikörper gegen das Influenza-Virus identifiziert und so einen wesentlichen Fortschritt bei der Suche nach einem universellen Grippeimpfstoff erzielt. Die Wissenschaftler*innen publizierten ihre Ergebnisse heute im Fachmagazin Nature.

In einem typischen Jahr erkranken allein in Österreich circa 5 -15 % der Bevölkerung an Influenza und rund 1000 Personen sterben an einer Ansteckung mit Influenzaviren. Impfstoffe gegen das Grippe-Virus bringen das Immunsystem in der Regel dazu, Antikörper zu bilden, die den Kopf des Hämagglutinins (HA) erkennen, ein Protein, das sich von der Oberfläche des Virus nach außen erstreckt. Der Kopf ist der am besten zugängliche Bereich des HA und damit ein gutes Ziel für das Immunsystem; leider ist er aber auch einer der variabelsten: Von Jahr zu Jahr mutiert der HA-Kopf häufig, so dass jährlich angepasste Impfstoffe gegen das Grippe-Virus erforderlich sind.

Neue Antikörper-Klasse identifiziert

Forscher*innen haben experimentelle Grippeimpfstoffe entwickelt, die universeller sind und den Körper dazu anregen, Antikörper gegen die weniger variable Stielregion des HA zu bilden, die sich wie ein Stiel zwischen dem Influenzavirus und dem HA-Kopf erstreckt. Einige dieser universellen Grippeimpfstoffe befinden sich derzeit in frühen klinischen Versuchen. In der Studie, die das internationale Forscher*innen-Team nun in Nature veröffentlicht hat, wurden 358 verschiedene Antikörper im Blut von Personen analysiert, die entweder einen saisonalen Grippeimpfstoff erhalten haben, an einer Phase-I-Studie für einen experimentellen universellen Grippeimpfstoff teilnahmen oder sich auf natürliche Weise mit der Grippe infiziert hatten. Bei vielen der im Blut der Teilnehmer*innen vorhandenen Antikörper handelte es sich um Antikörper, von denen bereits bekannt war, dass sie entweder den HA-Kopf oder den HA-Stiel erkennen. Eine Gruppe neuer Antikörper stach jedoch heraus: Diese Antikörper binden an den unteren Teil des Stiels, den die Wissenschaftler*innen in weiterer Folge als Anker bezeichneten. Dieser Anker befindet sich in der Nähe der Stelle, an der jedes HA-Molekül an der Membran des Grippevirus befestigt ist. Insgesamt identifizierten die Wissenschaftler*innen 50 verschiedene Antikörper gegen den HA-Anker, die von insgesamt 21 Personen stammten.

Simulation erweitert das Experiment

„Unser Beitrag im Rahmen dieser internationalen Kooperation bestand aus der Simulation und Optimierung von Modellen der Antikörper. Aufbauend auf unsere jahrelange Arbeit in diesem Bereich sind wir in der Lage, Antikörper und ihr Verhalten mithilfe von Graphics Processing Units (GPU) zu simulieren. Da wir unsere Rechnersysteme selbst zusammenbauen, können wir sie an besonders herausfordernde Problemstellungen anpassen“, erklärt Klaus Liedl.

Andrew Ward und seine Kollegen bei Scripps Research haben die Antikörper im Anschluss mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) untersucht und es zeigte sich, dass diese im Labor erzielten Resultate die Ergebnisse der ersten Simulationen bestätigten. „Nachdem die Zuverlässigkeit unserer Simulationen bestätigt war, untersuchten wir anhand weiterer Modelle vier Antikörper und konnten so wesentliche Erkenntnisse über ihr Verhalten und ihre Bindeeigenschaften liefern“, ergänzt Monica Fernández-Quintero. „Diese Modelle bestätigten auch, dass die neu identifizierte Art der Antikörper sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Funktion sehr stark konserviert ist. Das hat uns auch den Vergleich dieser Strukturen immens erleichtert, denn wenn alle relativ gleich sind, kann man die Dynamiken und Unterschiede gezielt lokalisieren und genauer untersuchen“, so die Nachwuchswissenschaftlerin.

Die Forscher*innen planen nun weitere Studien zur Entwicklung eines Impfstoffs, der möglichst direkt auf den HA-Anker verschiedener Grippestämme abzielt und so die Bildung der neu identifizierten Antikörper-Klasse auslöst. Die Antikörper selbst könnten auch als Arzneimittel mit breiter therapeutischer Anwendung entwickelt werden.

Originalpublikation:
Guthmiller, J.J., Han, J., Utset, H.A. et al. Broadly neutralizing antibodies target a hemagglutinin anchor epitope. Nature (2021).

Externer Link: www.uibk.ac.at