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

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 08.03.2011

Infektionen an Zahnimplantaten sind gefürchtet – bei circa zehn Prozent der Implantate treten Probleme auf. Das Risiko ist gross, dass es zum Knochenschwund kommt und das Implantat wieder entfernt werden muss. Forschende der ETH und der Universität Zürich haben nun eine nichtinvasive Methode entwickelt, die den entzündungsverursachenden Bakterien effizient zu Leibe rückt.

Die Titanschraube eines Zahnimplantats unter Strom setzen? Was eher nach einer Foltermethode tönt, ist völlig ungefährlich und medizinisch durchaus sinnvoll, denn die richtige Dosis Strom lässt Bakterien absterben. Allerdings ist alles eine Frage des Masses: Die wenigen Milliampere, die dafür ausreichen, werden vom Patienten kaum wahrgenommen oder äussern sich höchstens durch ein leichtes Muskelzucken. Das zeigen die Experimente, die Dirk Mohn im Rahmen seiner Doktorarbeit bei ETH-Professor Wendelin Stark vom Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften in Zusammenarbeit mit Thomas Imfeld, Professor am Zentrum für Zahnmedizin der Universität Zürich, durchgeführt hat.

Zehn Prozent der Implantate machen Probleme

In den letzten zehn Jahren hat sich die Zahl der eingesetzten Zahnimplantate in Europa und den USA verdoppelt. «In den industrialisierten Ländern wurden im Jahr 2009 schätzungsweise fünf Millionen Zahnimplantate eingesetzt, davon etwa eine Million in Deutschland und 100’000 in der Schweiz», sagt Thomas Imfeld. Bei circa zehn Prozent der Implantate treten Probleme auf, meist im ersten Jahr nach dem Eingriff. Das Implantat verheilt erst gar nicht mit dem Knochen oder das Gewebe rund um ein Implantat kann sich infizieren. Eine Infektion kann schliesslich bis zum Knochenschwund führen und dazu, dass das Implantat wieder entfernt werden muss.

Die Behandlung solcher Entzündungen erfolgt heute mechanisch oder mit lokal angewendeten Antibiotika – dies bedeutet in vielen Fällen eine Belastung für die Patienten und Patientinnen. Ziel der Zürcher Forscher war es deshalb, ein nichtinvasives Verfahren zu entwickeln, um diese Entzündungen effizient und schonend zu behandeln. «Die Idee stammt aus der Wasserreinigung, wo durch die klassische Elektrolyse keimfreies Wasser produziert wird», sagt Dirk Mohn. Um die Situation im Kiefer zu simulieren, nutzen die Wissenschaftler ein mit physiologischer Kochsalzlösung hergestelltes Gelatinepräparat. In dieses platzierten sie original Titan-Implantate, die sie zuvor mit einem Bakterienfilm aus E.coli-Bakterien beschichteten.

Bakterien nach 15 Minuten beseitigt

Im Experiment dient für den Stromfluss je ein Implantat als Kathode (Minuspol) und eines als Anode (Pluspol). Die Implantate werden 15 Minuten lang einer Stromstärke zwischen 0 und 10 Milliampere ausgesetzt. Die durch das erzeugte Spannungsfeld verursachte Elektrolyse führte dazu, dass Wassermoleküle an der Kathode in Hydroxid-Ionen zerlegt werden und somit der pH-Wert steigt. Farbindikatoren in der Gelatine zeigen das alkalische Milieu durch einen Farbumschlag an. An der Anode hingegen sinkt der pH-Wert, es bildet sich ein saures Milieu. Aus der Kochsalzlösung entstehen stark oxidative – in dieser Konzentration aber ungefährliche – Substanzen wie Chlor. Diese Substanzen haben eine viel höher desinfizierende Wirkung als das rein alkalische Milieu an der Kathode. Die Versuchsreihen mit unterschiedlichen Stromstärken zeigen, dass bei den Implantaten, bei denen ein saures Milieu erzeugt wurde, nach einer fünfzehnminütigen Behandlung 99 Prozent der Bakterien abgetötet werden.

In Zukunft würde deshalb das Implantat von Patienten die Funktion der Anode übernehmen. Ein Clip an der Lippe könnte als Kathode verwendet werden, sagt Mohn. Momentan sind die Wissenschaftler dabei, ein entsprechendes Gerät zu entwickeln, das zum Beispiel bei Hunden eingesetzt und damit getestet werden könnte. Parallel dazu erweitern die Wissenschaftler ihre In-vitro-Versuche mit einer breiteren Bakterienpopulation, die der Bakterienvielfalt im Mund entspricht.

Publikation:
Mohn D, Zehnder M, Stark WJ, Imfeld T (2011): Electrochemical Disinfection of Dental Implants – a Proof of Concept. PLoS ONE 6(1): e16157. doi: 10.1371/journal.pone.0016157

Externer Link: www.ethz.ch

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 01.03.2011

Heidelberger Wissenschaftler nutzen lichtunabhängigen Prozess mit chemisch schaltbarer Sonde

Mit Hilfe chemischer Verfahren können physikalische Beschränkungen in der hochauflösenden  Lichtmikroskopie umgangen werden. Forscher des Physikalisch-Chemischen Instituts und des Exzellenzclusters „CellNetworks“ der Universität Heidelberg haben eine neue Methode entwickelt, bei der anstelle von lichtabhängigen Prozessen chemische Reaktionen zum Einsatz kommen, um zelluläre Strukturen für hochauflösende lichtmikroskopische Untersuchungen zu markieren. Diese Methode ermöglicht neue Anwendungsgebiete für die Fluoreszenzmikroskopie. Die Ergebnisse wurden online in der Zeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ veröffentlicht.

Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine weit verbreitete Methode, um Zellbestandteile zu untersuchen. Allerdings verhindert die sogenannte Beugungsgrenze detaillierte Einblicke in zelluläre Strukturen: Danach lassen sich Objekte, die weniger als 0,3 Mikrometer voneinander entfernt liegen, nicht mehr getrennt voneinander abbilden. Um diese Grenze zu umgehen, wurden neue Methoden entwickelt, zu denen beispielsweise die Stochastische Optische Rekonstruktionsmikroskopie (STORM) zählt. Dabei werden Zellstrukturen mit fluoreszierenden Farbstoffen markiert und durch Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt und sichtbar gemacht. Eine hohe Auflösung von ungefähr 0,02 Mikrometer wird erreicht, indem die Mehrzahl der Farbstoffe ausgeschaltet und nur eine geringe Anzahl angelassen wird, so dass das ausgesandte Licht benachbarter Farbstoffe nicht mehr überlagert abgebildet wird. Dieses Schalten der Farbstoffe wird ebenfalls durch Licht gesteuert. Die Position der angeschalteten Farbstoffe lässt sich über eine mathematische Analyse mit sehr hoher Präzision von ungefähr 0,003 Mikrometer bestimmen. Die mehrfache Wiederholung dieser Prozedur liefert exakte Informationen über den Aufenthaltsort aller Farbstoffe und lässt damit eine hochauflösende Rekonstruktion der untersuchten Zellstrukturen zu.

Diese Untersuchungsmethode stellt allerdings besondere Anforderungen an das Mikroskop und die eingesetzten Lichtquellen: Um die jeweiligen Farbstoffe zu schalten, werden entweder unterschiedliche Laserlinien oder hohe Lichtintensitäten oder auch beides zugleich benötigt, was bei der Untersuchung lebender Zellen problematisch werden kann. Das Team um den Heidelberger Chemiker Dr. Dirk-Peter Herten hat das Schalten von Farbstoffen mit Hilfe von Laserlicht durch einen lichtunabhängigen Prozess ersetzt. Dabei passten die Wissenschaftler eine chemische Sonde zum Nachweis von Kupferionen so an, dass diese Sonde mit ihren fluoreszierenden Eigenschaften zur Markierung von zellulären Strukturen genutzt werden kann. Bindet Kupfer(II) an diese Sonde, wird deren Fluoreszenz gelöscht. Diese Bindung des Kupfer(II)-Ions ist umkehrbar, wobei auch die Fluoreszenz der Sonde wiederhergestellt wird. Somit wird die mikroskopische Untersuchung der Zellstrukturen mit Hilfe einer umkehrbaren, das heißt reversiblen, chemischen Reaktion gesteuert.

Die Wissenschaftler haben die Methode CHIRON – chemically improved resolution for optical nanoscopy – genannt. Damit lassen sich laut Dr. Herten Mikroskopieverfahren wie STORM soweit vereinfachen, dass auf den Einsatz zusätzlicher Laserlinien und auf hohe Lichtintensitäten verzichtet werden kann. Stattdessen muss lediglich die Sonde in einer zellulären Umgebung vorliegen, der kleinste Mengen von Kupfersulfat zugegeben werden können, zum Beispiel fixierte Zellen. „Damit ergeben sich neue Anwendungsgebiete für die hochauflösende Mikroskopie, die vorher wegen technischer Beschränkungen unzugänglich waren, denn unsere Sonden lassen sich auf vielen Mikroskopen einsetzen“, erläutert Dr. Herten.

Originalveröffentlichung:
M. Schwering, A. Kiel, A. Kurz, K. Lymperopoulos, A. Sprödefeld, R. Krämer, D.-P. Herten: Far-Field Nanoscopy with Reversible Chemical Reactions / Hochauflösende Mikroskopie mit reversiblen chemischen Reaktionen. Angewandte Chemie International Edition, 15. Februar 2011, doi: 10.1002/anie.201006013

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 17.02.2011

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und der TU München erhalten durch die Messung dipolarer Restkopplungen ein Bild des Moleküls

Chemiker des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode zur Identifizierung chemischer Verbindungen vorgestellt. Das angewandte Verfahren stellt eine Verfeinerung der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) dar, die sich über Jahrzehnte für die Strukturaufklärung organischer Moleküle bewährt hat. Die jetzt in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Ergebnisse zeigen einen einfachen Zugang zu Strukturinformationen, wenn klassische Analysemethoden versagen.

Das Team von Professor Burkhard Luy vom KIT und Juniorprofessor Stefan F. Kirsch von der TUM hat erstmals gezeigt, dass bestimmte NMR-Parameter, sogenannte dipolare Restkopplungen (RDCs), entscheidend zur Aufklärung des grundlegenden Aufbaus von chemischen Verbindungen beitragen können, wenn traditionelle Methoden versagen. Hierzu betteten sie die Moleküle, aus denen die Verbindung besteht, in ein Gel ein, das ihre Beweglichkeit leicht einschränkt. Durch Streckung des Gels lassen sich die Moleküle in einer Vorzugsrichtung anordnen. Während sich in Lösung die dipolaren Restkopplungen herausmitteln, sind sie in solchen teilweise orientierten Proben messbar und liefern schließlich Daten, die sich zu einem Abbild des Moleküls zusammensetzen lassen.

Die Forscher überprüften diesen neuen Ansatz zur Strukturaufklärung, indem sie ein Molekül untersuchten, dessen atomare Zusammensetzung zwar bekannt war, nicht jedoch, wie genau die einzelnen Atome des Moleküls miteinander verknüpft sind. Das Molekül war über eine einzigartige Reaktion erhalten worden, so dass es keine Präzedenzfälle zu seiner Struktur gab; klassische Analysemethoden versagten aufgrund der Kompaktheit des Moleküls. Die Strukturaufklärung gelang in diesem konkreten Fall einzig durch dipolare Restkopplungen, so dass mit dem gewonnen Wissen Rückschlüsse zur Bildung des Moleküls möglich waren, über die man vorher nur spekulieren konnte.

„Nicht alle Strukturen werden sich zukünftig auf diesem Wege analysieren lassen“, so die Wissenschaftler Luy und Kirsch. „Es wird weiterhin Moleküle geben, die sich ihrer Enträtselung trotz aller Bemühungen und modernster Methoden hartnäckig verweigern werden. Die Anwendung der neuen Methode bietet jedoch ein weiteres Werkzeug, um die strukturellen Rätsel der Natur zu entschlüsseln.“

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Heisenberg-Programm, Forschergruppe FOR 934) und dem Fonds der Chemischen Industrie. Die Messungen haben die Wissenschaftler auf Geräten des Bayerischen NMR-Zentrums durchgeführt. (lg)

Literatur:
Grit Kummerlöwe, Benedikt Crone; Manuel Kretschmer, Stefan F. Kirsch und Burkhard Luy: Dipolare Restkopplungen als effektives Instrument der Konstitutionsanalyse: die unerwartete Bildung tricyclischer Verbindungen. Angewandte Chemie, 2011
DOI 10.1002/ange.2010007305 (für Angewandte Chemie)
DOI 10.1002/anie.2010007305 (für Angewandte Chemie – International Edition)

Externer Link: www.kit.edu

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.01.2011

KIT-Wissenschaftler entwickeln gemeinsam mit der Lanxess Deutschland GmbH neuartiges Verfahren zur Herstellung spezieller Kautschuke

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Lanxess Deutschland GmbH – einem der weltweit größten Hersteller von Kautschuken – haben ein neues Verfahren entwickelt, um bestimmte maßgeschneiderte, synthetische Kautschuke einfach und effizient herzustellen. Das entwickelte Verfahren erlaubt es, die Synthese dieser speziellen Kautschuke in einer einheitlichen Lösung durchzuführen, Ressourcen werden somit geschont und die hergestellten Kautschuke in hoher Reinheit ohne zusätzliche aufwendige Aufreinigung erhalten.

Bislang werden Kautschuke oft – wie viele synthetische Polymere – in wässriger Emulsion hergestellt. Eine Reihe von komplexen Zusatzstoffen wird hier benötigt, um einen Kautschuk auf einem  hohen technischen Niveau zu erhalten. Die Aufarbeitung, die Reinigung und die Isolierung des Kautschuks machen das seit den Anfängen des 20. Jahrhunderts und bis heute in der Industrie verwendete Verfahren sehr aufwendig und anspruchsvoll.

Die KIT-Wissenschaftler um Prof. Christopher Barner-Kowollik entwickelten gemeinsam mit dem Lanxess-Team um Dr. Sven Brandau und Dr. Michael Klimpel ein neues innovatives Verfahren, um bestimmte Kautschuke mit exakt definierten Eigenschaften herzustellen. Hierzu verwendeten sie eine Methode aus der Klasse der lebenden radikalischen Lösungspolymerisation, mit dem zusätzlich die molekulare Architektur der synthetisierten Polymere sehr genau eingestellt werden kann.

Das Forscherteam betrat bei diesem Projekt völlig neue Wege, da es ihnen erstmalig gelang, diese noch relativ junge Art der Polymerisation zur Synthese eines großtechnisch genutzten Kautschuks zu verwenden. Das entwickelte Verfahren erlaubt es, die Synthese in einer einheitlichen Lösung durchzuführen, Ressourcen zu schonen und die Kautschuke werden in hoher Reinheit erhalten, ohne zusätzliche aufwendige Aufreinigung.

Prof. Barner-Kowollik fasst die Vorzüge des neuartigen Verfahrens zusammen: „Das neue Verfahren bringt zwei entscheidende Vorteile mit sich. Zum einen können wir die Größe und die Struktur der Polymere – und damit ihre Eigenschaften – genau einstellen und zum anderen wird der Produktionsprozess sehr stark vereinfacht. Von wissenschaftlicher Seite haben wir völliges Neuland betreten, denn die lebende radikalische Polymerisation wurde bisher noch nie auf ein solches Kautschuksystem angewandt.“

Dr. Sven Brandau, Projektleiter bei Lanxess, fügt hinzu: „Diese neue Technologie hat das Potenzial, den Produktionsprozess und die Eigenschaften von synthetischen Kautschuken auf eine komplett neue und effiziente Plattform zu stellen. Hier wurden neue Möglichkeiten zur Synthese von maßgeschneiderten Kautschuken geschaffen.“ Das KIT/Lanxess-Forscherteam hofft, weiterhin erfolgreich gemeinsam wissenschaftliches und prozesstechnisches Neuland zu betreten und die bisherigen Arbeiten weiter zu entwickeln.

Polymere und Kautschuke

Polymere Materialien – landläufig auch Kunststoffe oder vereinfacht „Plastik“ genannt – sind aus unserem täglichen Leben nicht wegzudenken. Kunststoffe sind aus riesigen Molekülen aufgebaut, welche wiederum aus kleinen Einzelbausteinen bestehen, den Monomeren. Da es Monomere in den verschiedensten chemischen Variationen gibt, existieren folglich Polymere mit einer weiten Palette von Eigenschaften. Polymere begegnen uns beispielsweise in Farben und Lacken, in Medikamenten und medizinischen Produkten, in Kleidung und Schuhen, in Gehäusen und Verpackungen, in Computerchips, in Baumaterialien sowie in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen. Eine der wichtigsten Klassen von polymeren Materialien stellen hierbei Kautschuke dar. Synthetische Kautschuke existieren in den verschiedensten Varianten, wodurch sie ebenfalls in mannigfaltigen Anwendungen eingesetzt werden können – im ölresistenten Schlauch im Auto, in Reifen, als Bodenbeläge, in Schuhsohlen oder in der Erdölförderung bis hin zum Dichtungsring in den Treibstofftanks von Raumfahrzeugen. (sf)

Externer Link: www.kit.edu