Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.07.2018

Elektrische Schaltkreise werden immer weiter verkleinert und um bestimmte Funktionen erweitert. Eine neue Methode erlaubt es nun, einfache Moleküle auf einem konventionellen Silizium-Chip in elektrischen Kontakt zu bringen. Das Verfahren verspricht Fortschritte in Sensortechnik und Medizin, wie Chemiker der Universität Basel und Forscher von IBM Research – Zurich in Rüschlikon in der Fachzeitschrift «Nature» berichten.

Als Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie versucht die molekulare Elektronik, Bauelemente für Schaltkreise aus einzelnen Molekülen anstatt aus Silizium herzustellen. Moleküle eignen sich wegen ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften für Anwendungen, die sich mit herkömmlicher Siliziumtechnologie nicht realisieren lassen. Dafür nötig sind aber zuverlässige und kostengünstige Methoden, mit denen an den Enden eines Moleküls ein elektrischer Kontakt angelegt werden kann.

Tausende Elemente herstellbar

Forscher der Universität Basel und von IBM Research – Zurich haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sich ein elektrischer Kontakt zu einzelnen Moleküle herstellen lässt. Tausende von stabilen Metall-Molekül-Metall-Bauelementen lassen sich gleichzeitig herstellen, indem ein Film von Nanopartikeln auf die Moleküle deponiert wird. Die Eigenschaften der Moleküle werden dabei nicht beeinträchtigt. Um diesen Ansatz zu zeigen, wurden Alkandithiol-Verbindungen aus Kohlen-, Wasserstoff und Schwefel eingesetzt.

Die Forschenden verwendeten dabei eine Art Sandwichbauweise: In der Mitte befindet sich eine Schicht Moleküle, die von oben und von unten von metallischen Elektroden kontaktiert wird. Die untere Elektrode besteht aus einer Schicht Platin, auf die eine elektrische Isolationsschicht aufgetragen wird. Hier hinein wurden nun winzige Poren geätzt, sodass ein beliebiges Muster von unterschiedlich grossen Kompartementen entsteht, in denen ein elektrischer Kontakt zur Platin-Elektrode besteht.

Selbstorganisierende Schichten

Anschliessend machten sich die Forscher die Fähigkeit von bestimmten Molekülen zunutze, sich eigenständig anzuordnen. Auf das Vertiefungsraster gaben sie eine Flüssigkeit mit Alkandithiol-Molekülen, die sich selbst zu einem dichtgepackten Film organisieren. In diesem Film sind die einzelnen Teilchen regelmässig angeordnet und mit der unteren Platin-Elektrode elektrisch verbunden. Der elektrische Kontakt zur Molekülschicht wurde durch eine obere Elektrode aus Gold-Nanopartikeln hergestellt.

Mit dem neuen Verfahren können die bisherigen Probleme bei elektrischer Kontaktierung von Molekülen – wie hohe Kontaktwiderstände oder Kurzschlüsse durch den Film – weitgehend gelöst werden. Die mit dieser Methode fabrizierten Bausteine sind unter Normalbedinungen einsetzbar und langzeitstabil. Die Methode lässt sich auf verschiedene molekulare Systeme übertragen und eröffnet neue Wege, molekulare Verbindungen in Festkörper zu integrieren. Anwendung finden könnte sie in neuartigen Geräten in der Sensortechnik und der Medizin.

«Unser Ansatz wird dazu beitragen, die Entwicklung von chemisch konstruierten und regelbaren elektronischen und sensorischen Bauelementen zu beschleunigen», sagt Prof. Dr. Marcel Mayor vom Departement Chemie der Universität Basel. Das Projekt wurde massgeblich vom Nationalen Forschungsschwerpunkt «Molecular Systems Engineering» gefördert, an dem die Universität Basel und die ETH Zürich als Leading Houses beteiligt sind.

Originalbeitrag:
Gabriel Puebla-Hellmann, Koushik Venkatesan, Marcel Mayor, and Emanuel Lörtscher
Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices
Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0275-z

Externer Link: www.unibas.ch

Presseaussendung der TU Wien vom 04.06.2018

An der TU Wien wurde eine Spezialformel für ein Epoxidharz entwickelt. Es kann für faserverstärkte Komposite im Flugzeug-, Auto- oder Schiffsbau eingesetzt werden, oder ist sogar für Unterwassersanierungen geeignet.

Innerhalb von Sekunden kann sich das neue Material völlig verändern: Am Anfang ist es transparent, es kann flüssig oder pastos sein. Bestrahlt man es an irgendeinem Punkt mit dem passenden Licht, beginnt sich das gesamte Spezialharz zu verfestigen und nimmt dabei eine dunkle Farbe an. Die spezielle Epoxidharz-Formel, die das möglich macht, wurde von der TU Wien patentiert. Nun gelang es, diesen Prozess sogar unter Wasser ablaufen zu lassen. Damit kann das neue Epoxidharz für Aufgaben verwendet werden, die bisher nur sehr schwer zu lösen waren – etwa um unter Wasser Risse in Brückenpfeilern oder Dämmen zu verkitten, oder um im laufenden Betrieb Rohre zu reparieren.

Neu ist auch, dass dieses spezielle Epoxidharz auch in Verbindung mit Kohlenfasern oder Kohlenfasermatten verwendet werden kann. Dadurch ergeben sich breite Anwendungsmöglichkeiten im Flugzeugbau, bei Windkraftanlagen, Schiffs- und Bootsbau oder in der Automobilindustrie – überall dort wo man höchste mechanische Eigenschaften mit besonders leichter Bauweise kombinieren möchte.

Gewöhnliches Material mit ungewöhnlichem Zusatz

Epoxidharze gehören zu den Standard-Materialien, die in der Industrie für viele unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden – etwa um elektronische Bauteile zu isolieren, oder um mechanische Teile zu fixieren. Die Forschungsgruppe von Prof. Robert Liska (Institut für Angewandte Synthesechemie, TU Wien) entwickelt Zusatzstoffe, die man gewöhnlichem Epoxidharz hinzufügt, um seine Eigenschaften anzupassen und eine gezielte Aushärtung auf Knopfdruck zu ermöglichen.

„Wir entwickeln spezielle Verbindungen, bei denen durch Licht eine chemische Reaktion ausgelöst wird“, erklärt Robert Liska. „Das kann ein heller Blitz sichtbaren Lichts sein, wir haben auch Verbindungen, die nur auf UV-Licht reagieren.“ An dem Punkt, an dem das Licht auf das Harz trifft, wird eine Reaktion gestartet, die Wärme freisetzt. Diese Wärme breitet sich aus und setzt die chemische Kaskade auch anderswo in Gang – bis schließlich das gesamte Harz in kurzer Zeit ausgehärtet ist.

„Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist, dass man nicht wie bei anderen lichthärtenden Materialien das gesamte Harz beleuchten muss“, erklärt Liska. „Es genügt, irgendeinen beliebigen Punkt mit Licht zu treffen. Der Rest härtet dann auch aus, wenn er sich tief in einem dunklen Spalt befindet, den man kitten möchte.“ Bisher hat man für solche Einsatzbereiche meist Zweikomponenten-Formulierungen verwendet. Sie werden zunächst direkt vor Ort mühsam zusammengemischt und müssen dann sehr schnell verarbeitet werden, bevor sie von alleine aushärten.

Interesse aus der Industrie

Von Partnerunternehmen aus der Industrie kam die Anfrage, ob dieser Prozess auch in Gegenwart von „dunklen“ Füllstoffen oder Fasern möglich wäre, denn gerade für solche schwierigen Einsätze wäre selbsthärtendes Epoxidharz äußerst nützlich. „Oberflächlich betrachtet widerspricht diese Idee jeder Theorie“, meint Liska. „Das Licht wird durch die schwarzen Kohlefasern sehr gut absorbiert, kann also nicht weit in das Material eindringen“,  Trotzdem konnte in Experimenten an der TU Wien eindrucksvoll gezeigt werden, dass dies sehr gut funktioniert.

Auch das Aushärten unter Wasser widerspricht jeder Theorie. „Man würde erwarten, dass das Wasser einerseits mit den Komponenten des Harzes während der Härtung chemisch reagiert, und dass es andererseits die Wärme abtransportiert, die man zum Aufrechterhalten der Reaktion benötigt.“ Erstaunlicherweise gelang es aber auch, die lichtgestartete Selbstaushärtung unter Wasser ablaufen zu lassen. „Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die chemische Reaktion das Wasser zum Kochen bringt“, erklärt Robert Liska. „Es bildet sich also zwischen dem erhärtenden Harz und dem umgebenden Wasser eine dünne Schutzschicht aus Wasserdampf.“

Nun wird nach weiteren Anwendern aus der Industrie gesucht, um die Möglichkeiten des Spezialharzes auszuloten. Neben dem Einsatz als Glas- und Kohlefaserkomposite im Bereich vom Flugzeug-, Schiffs- und Automobilbau liegt ein besonders interessanter Bereich in der Sanierung von Bauwerken. Man könnte etwa Risse in Gebäuden, die im Wasser errichtet sind, mit zähflüssigem Harz verkleben und dann mit einem Lichtblitz aushärten. Auch die Sanierung von Rohrleitungen ist eine Aufgabe, die oft sehr schwer zu lösen ist – auch hier würde sich der Einsatz des neuen Harzes anbieten. „Möglichkeiten gibt es viele – wir hoffen auf möglichst interessante neue Ideen“, sagt Robert Liska. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Presseinformation der LMU München vom 02.04.2018

Künstlich geschaffene Moleküle ahmen nicht nur die Struktur ihrer natürlichen Vorbilder nach: Sie können auch deren Funktion übernehmen und diese darin sogar übertreffen, wie LMU-Chemiker Ivan Huc erstmals am Beispiel einer künstlichen DNA-Sequenz zeigt.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur nach, und das auf kleinster Ebene. Der Chemiker schafft mit seiner Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU künstliche Moleküle, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen, Foldamere nennt er diese. Nun ist es Ivan Huc gelungen, Eigenschaften der Oberfläche einer DNA-Doppelhelix so nachzuahmen, dass Proteine mit dem Imitat interagieren. Darüber berichtet der Chemiker, der bis Sommer 2017 an der Universität Bordeaux, Frankreich, forschte, aktuell in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. In der Studie blockierten die künstlichen DNA-Imitate verschiedene Enzyme von Viren, darunter die HIV Integrase, durch die der HI-Virus sein Genom in die Wirtszelle einschleust. Damit könnte seine Forschung ganz neue therapeutische Ansatzpunkte eröffnen.

Hucs aktuelle Veröffentlichung baut vor allem auf zwei früheren Arbeiten auf, die ebenfalls in diesem Jahr in Nature Chemistry erschienen sind. Darin zeigte er, durch welche Interaktionsmuster künstliche Moleküle organische Formen wie die Helixstruktur annehmen können und unter welchen Umständen Ribosomen künstlichen Molekülen gegenüber tolerant sind. „Die Form bestimmt die Funktion“, erklärt Ivan Huc seinen Ansatz. In der nun neu erschienenen Studie hat der Chemiker als Basis ein künstliches Molekül entwickelt, das sich schraubenförmig falten und nach einer Art Baukasten-Prinzip vielfach modellieren lässt. So konnte Ivan Huc Oberflächeneigenschaften der natürlichen DNA-Doppelhelix imitieren. Das Imitat ist so gut geworden, dass zwei Enzyme, darunter die HIV Integrase, auf die falsche DNA hereinfallen und dadurch blockiert werden können.

Damit dies auch dann funktioniert, wenn die Enzyme sowohl die künstliche als auch die echte DNA zur Wahl haben, muss Hucs Schöpfung die Natur quasi übertreffen: „Wenn die Enzyme auch unter konkurrierenden Bedingungen an das Foldamer binden sollen, muss das Imitat besser sein als die DNA selbst“, erläutert Huc. Tatsächlich ist dies in der Studie gelungen: Die Bindung der HIV Integrase an das Foldamer war stärker als an die DNA selbst. „Obwohl das Design auf die Ähnlichkeit zur DNA abzielt, verdankt das Foldamer seine wertvollsten Eigenschaften gerade seinen Unterschieden zur DNA“, betont Huc.

Das Baukastenprinzip, nach dem sich die künstlichen DNA-Sequenzen nach Belieben gestalten lassen, eröffnet viele Variationsmöglichkeiten. In der vorliegenden Studie testete Ivan Huc die Funktion am Beispiel von Enzymen, die an eine beliebige Stelle der DNA binden. Es wäre jedoch auch denkbar, künstliche DNA-Abschnitte zu entwickeln, um Enzyme zu blockieren, die nur an bestimmte DNA-Sequenzen binden.

Publikation:
Nature Chemistry 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemeldung der JKU Linz vom 14.03.2018

An der JKU ist es WissenschaftlerInnen gelungen, sogenannte T-Killer-Immunzellen speziell für den Kampf gegen Tumorgewebe zu aktivieren.

Im Kampf gegen Krebs wollen ForscherInnen weltweit immer stärker das eigene Immunsystem „mobilisieren“. „Die Krebsimmuntherapie ist eines der Hoffnungsgebiete im Kampf gegen Krebs, weil die Chirurgie, die Chemotherapie und die Strahlentherapie bei fortgeschrittenen Erkrankungen meist scheitern“, erklärt Assoz. Univ.-Prof. Wolfgang Schöfberger vom JKU-Institut für Organische Chemie. Bei dieser Therapie soll das Immunsystem mithilfe spezieller Wirkstoffe die Krebserkrankung selbst unter Kontrolle bringen.

Die JKU-WissenschafterInnen haben dazu einen Polymer-Wirkstoff in den Tumor eingebracht. „Damit wollten wir eine Aktivierung der dendritischen Zellen (DC) im Tumor erreichen.“ Das Polymer bringt den Wirkstoff also zu den dendritischen Zellen im Gewebe, die wie eine Zielscheibe für das Immunsystem funktionieren.

Eine besondere Herausforderung: den Wirkstoff punktgenau im Tumor zu platzieren. Gelungen ist das durch ein wasserlösliches abbaubares Polymer (Arbeitsgruppe Univ.-Prof. Ian Teasdale, Institut für Polymer Chemie der JKU), das den Wirkstoff wie ein Taxi genau zur Zelle bringt und dort freisetzt.

„Es ist uns gelungen, die DC zu aktivieren. Diese haben dann eine Immunreaktion der Killer-T-Zellen ausgelöst. Im nächsten Schritt wird nun im Gewebe eine Entzündung mit dem Wirkstoff erzeugt. Daraus resultiert letztlich eine Abstoßung des Tumors“, so Schöfberger.

Die Arbeit, die im Rahmen eines FFG-Projekts entstand, wurde nun im international renommierten Fachjournal „Chemistry – A European Journal“ publiziert. (Tobias Prietzel)

Externer Link: www.jku.at

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 20.12.2017

Mit chemisch nachgebauten Naturstoffen will Thomas Magauer von der Universität Innsbruck Mittel gegen die weltweit zunehmenden Antibiotikaresistenzen finden. Biologische Analysen einer Gruppe von erstmals systematisch hergestellten Molekülen zeigen eine vielversprechende Wirkung zum Beispiel gegen multiresistente MRSA-Keime. Die synthetisch erzeugten Wirkstoffe lassen sich zudem chemisch weiter optimieren.

Durch den ungehemmten Einsatz von Antibiotika entwickeln Krankheitskeime immer häufiger Resistenzen. Seit der Entdeckung von Penicillin haben Antibiotika die Therapie von bakteriellen Erkrankungen revolutioniert, doch diese medizinischen Waffen könnte bald stumpf werden. Die Wissenschaft ist deshalb schon seit Jahren auf der Suche nach neuen Wirkstoffen. Thomas Magauer vom Institut für Organische Chemie der Universität Innsbruck orientiert sich dabei an Naturstoffen, für die es bereits Hinweise auf eine mögliche Wirkung gegen Bakterien gibt. Diese Moleküle setzt er im Labor neu zusammen und optimiert ihre Wirkung durch künstliche Anpassungen. In einer aktuellen Studie im Fachmagazin Nature Communications präsentiert Magauers Arbeitsgruppe nun einen modularen Ansatz zur chemischen Synthese einer ganzen Gruppe von Naturstoffen, denen antibakterielle, antivirale Eigenschaften sowie eine krebshemmende Wirkung nachgesagt wird. Trotz ihrer Ähnlichkeit gab es bisher nur vereinzelte Versuche, diese Naturstoffe zu synthetisieren und zu untersuchen. „Mit dem neuen Ansatz steht nun ein Werkzeug zur Verfügung, um diese faszinierenden Familie von Naturstoffen genauer zu untersuchen“, freut sich Thomas Magauer, der seit August dieses Jahres eine Professur für Organische Chemie an der Universität Innsbruck innehat.

Wirkung gegen MRSA-Keime

Bisher wurden diese Stoffe aus Pilzen oder Meerespflanzen extrahiert. Dabei können allerdings oft nicht die notwendigen Mengen gewonnen werden. Mit dem neuartigen chemischen Baukasten der Innsbrucker Wissenschaftler lassen sich sechs dieser Naturstoffe sowie 15 davon abgeleitete künstliche Moleküle in wenigen Schritten erzeugen.

Gemeinsam mit der Forschungsgruppe um Mark Brönstrup am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig untersuchten die Forscher auch die biologische Wirkung der Moleküle. Für grampositive Bakterien konnte dabei eine sehr gute biologische Aktivität einiger dieser Moleküle nachgewiesen werden. Zwei dieser Moleküle, Strongylin A und ein vollsynthetisches Derivat, zeigen eine bedeutende antibiotische Wirkung gegen MRSA. Diese multiresistenten Keime aus der Gruppe der Staphylokokken spielen heute in Kliniken und Pflegeeinrichtungen als Verursacher von Infektionen eine wichtige Rolle. Inzwischen treten MRSA-Varianten auch in der normalen Umgebung auf. „Durch gezielte Modifikationen an den künstlich erzeugten Molekülen soll deren Wirkung noch weiter verstärkt werden“, blickt Thomas Magauer bereits in die Zukunft. „Wir wollen auch Wege finden, um gramnegative Bakterien zu bekämpfen.“ Finanziell unterstützt wird er dabei vom Europäischen Forschungsrat ERC und der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG.

Publikation:
A modular synthesis of tetracyclic meroterpenoid antibiotics. Raphael Wildermuth, Klaus Speck, Franz-Lucas Haut, Peter Mayer, Bianka Karge, Mark Brönstrup, and Thomas Magauer. Nature Communications 8: 2083 DOI: 10.1038/s41467-017-02061-7

Externer Link: www.uibk.ac.at