Multitool für die solare Wasserspaltung

Presseinformation der LMU München vom 06.09.2018

Die Spaltung von Wasser mittels Sonnenlicht ist ein vielversprechender Ansatz für die Speicherung erneuerbarer Energie. Ein neues Katalysatorsystem im Nanoformat lässt erstmals alle Reaktionsschritte einer solchen künstlichen Photosynthese an einem einzigen Halbleiter-Partikel ablaufen.

In Anbetracht des globalen Klimawandels ist die Nutzung und Speicherung erneuerbarer, klimaneutraler Energiequellen unerlässlich. Ein vielversprechender Ansatz ist die Photokatalyse, bei der Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff aufgespalten wird. Die effiziente Umsetzung dieses Verfahrens ist allerdings technisch sehr anspruchsvoll, da verschiedene Prozesse beteiligt sind, die sich gegenseitig beeinträchtigen. LMU-Physikern um Dr. Jacek Stolarczyk und Professor Jochen Feldmann ist es in Kooperation mit Chemikern der Universität Würzburg (JMU) um Professor Frank Würthner nun erstmals gelungen, Wasser in einem einzigen System mithilfe von sichtbarem Licht vollständig zu spalten. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Energy.

Bei der photokatalytischen Wasserspaltung werden mittels synthetischer Komponenten die komplexen Prozesse nachgebildet, die bei der natürlichen Photosynthese ablaufen. Im Prinzip absorbieren dabei als Photokatalysatoren dienende Halbleiter-Nanopartikel Lichtquanten (Photonen). Ein Photon regt im Halbleiter eine negative Ladung (ein Elektron) und eine positive Ladung (ein sogenanntes „Loch“) an, die sich räumlich trennen müssen, damit Wasser von dem Elektron zu Wasserstoff reduziert beziehungsweise vom Loch zu Sauerstoff oxidiert werden kann. „Wenn man nur Wasserstoff aus Wasser herstellen will, werden die Löcher meistens schnell mittels chemischer Reagenzien entfernt“, sagt Stolarczyk. „Für eine vollständige Wasserspaltung müssen die Löcher aber bleiben und den langsamen Wasseroxidationsprozess vorantreiben.“ Die Schwierigkeit besteht dann darin, beide Halbreaktionen so auf einem Partikel zu kombinieren, dass sie gleichzeitig ablaufen – und zwar ohne, dass die dabei entstehenden entgegengesetzten Ladungen rekombinieren. Zudem werden die meisten Halbleiter durch die positiven Ladungen angegriffen und zerstört.

Nanostäbchen mit separaten Reaktionsräumen

„Den Durchbruch haben wir geschafft, indem wir Nanostäbchen des Halbleiters Cadmiumsulfid verwendeten und die Reduktions- und Oxidationsreaktion auf diesen Nanokristallen räumlich trennten“, sagt Stolarczyk. An den Spitzen der Stäbchen positionierten die Wissenschaftler winzige Platinpartikel, die bei der Photoreaktion entstehende Elektronen aufnehmen. Wie die LMU-Physiker bereits früher zeigen konnten, funktioniert diese Anordnung als wirksamer Photokatalysator für die Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Die Oxidation dagegen findet an den Seiten der Nanostäbchen statt: Auf den gesamten Seitenflächen platzierten die LMU-Physiker von Würthners Team entwickelte Oxidationskatalysatoren auf Rutheniumbasis, die mit speziellen Ankergruppen an den Nanostäbchen fixiert werden. „Die Verankerung ermöglicht eine extrem schnelle Übertragung des Lochs auf den Katalysator, sodass eine effektive Sauerstofferzeugung stattfinden kann und die Cadmium-Nanostäbchen nicht geschädigt werden“, sagt Dr. Peter Frischmann, einer der Initiatoren des Forschungsprojekts am Standort Würzburg.

Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTech) durch, das vom Freistaat Bayern gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen“, erklärt Professor Jochen Feldmann, Inhaber des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik an der LMU. „Die Entwicklung des neuen photokatalytischen Systems ist ein gutes Beispiel dafür, wie Soltech die Expertise unterschiedlicher Fachrichtungen und Standorte zusammenbringt. Unser Erfolg war nur durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Chemikern und Physikern an zwei Standorten möglich“, ergänzt Würthner, der zusammen mit Feldmann im Jahr 2012 SolTech initiierte.

Publikation:
Nature Energy 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Faden-Kunst aus Roboterhand

Presseaussendung der TU Wien vom 10.09.2018

Als „String Art“ bezeichnet man Bilder aus kunstvoll gespannten Fäden. Was bisher Erfahrung und eine ruhige Hand benötigte, gelingt an der TU Wien nun mit einem Roboter – ein Beispiel, welch komplexe Aufgaben digitale Fabrikation mittlerweile lösen kann.

Die Grundidee ist einfach: Auf einem Brett befinden sich Nägel, und zwischen ihnen soll ein langer Faden so hin und her gespannt werden, dass er ein bestimmtes Bild ergibt. Recht einfach lassen sich so interessante geometrische Muster produzieren. Den wahren Profis gelingt es sogar, durch eine ausgeklügelte Anordnung der Fadenlinien ein Portrait zu erstellen.

An der TU Wien hat man diese Kunstform nun automatisiert: Beliebige Bilder können verwendet werden, der Computer berechnet den optimalen Faden-Weg, der das gewünschte Bild möglichst exakt wiedergibt. Ein Industrie-Roboter übernimmt dann die Arbeit des Fadenspannens und erzeugt ein kreisrundes Fadenbild.

Unzählige Möglichkeiten

„Aus wissenschaftlicher Sicht ist das ein sehr interessantes Problem, weil es ganz besonders schwer zu lösen ist“, sagt Przemyslaw Musialski vom Institut für Diskrete Mathematik und Geometrie der TU Wien. Im Allgemeinen lässt sich ein Bild auf diese Weise nicht exakt reproduzieren – schließlich kann man mit der Faden-Methode keine einzelnen Bildpunkte setzen, sondern nur durchgängige Linien ziehen. Man muss daher eine möglichst gute Näherungslösung finden.

Außerdem ist die Anzahl der Möglichkeiten, wie man einen Faden zwischen einer größeren Anzahl von Nägeln spannen kann, astronomisch hoch. Es ist völlig unmöglich, alle denkbaren Varianten durchzuprobieren. „Es handelt sich um ein sogenanntes NP-schweres Problem“, sagt Musialski. „Zu dieser Klasse von Aufgaben gehören Rechenprobleme, die mit Computern in überschaubarer Zeit nicht exakt gelöst werden können.“

Für die Erstellung des Bildes verwendet man einen Kreis aus 256 Haken. „Unsere Rechnungen haben gezeigt, dass eine größere Anzahl von Haken das Endergebnis nur noch marginal verbessert“, sagt Przemyslaw Musialski. Der Faden kann jeweils von der rechten oder linken Seite jedes Hakens zur rechten oder linken Seite jedes anderen Hakens gespannt werden. Schon bei ungefähr 30 Fadenlinien ergeben sich somit mehr mögliche Varianten als das beobachtbare Universum Atome hat – und um ein erkennbares Bild wiederzugeben, braucht man noch viel mehr Linien. Es ist daher eine große mathematische Herausforderung, aus der unüberblickbaren Vielzahl an möglichen Wegen einen herauszufinden, der das gewünschte Bild möglichst gut reproduziert.

Der Präzisions-Roboterarm als Fadenkünstler

Die mathematische Lösung des Problems war dem Forschungsteam aber noch nicht genug. Das Ziel war, echte „String Art“ völlig automatisiert zu produzieren. Daher setzte man einen hochpräzisen Industrie-Roboter ein, der normalerweise an der Fakultät für Architektur der TU Wien zum Fräsen komplizierter 3D-Formen verwendet wird. Der Roboterarm spannt einen einzigen langen Faden zwischen den 256 Haken, sodass am Ende ein kreisrundes Fadenbild mit 63cm Durchmesser entsteht. Auch für den Industrieroboter ist die Aufgabe nicht im Handumdrehen erledigt: Je nach Bildmotiv dauert die Produktion 2-5 Stunden und benötigt zwischen 2 und 6 Kilometer Faden.

Unterstützt wurde das Team der TU Wien von Peter Wonkas Arbeitsgruppe an der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. „Auch wenn unser Roboter hübsche Bilder erzeugt, ist unsere Arbeit natürlich kein Kunstprojekt“, sagt Przemyslaw Musialski. „Letztlich wollen wir zeigen, wie man besonders schwierige technische Probleme am besten lösen kann. Im String-Art-Projekt arbeiten wir mit Methoden, die in Zukunft auch in der digitalen Fabrikation eine wichtige Rolle spielen werden.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Neuer Mechanismus der Elektronenspinrelaxation nachgewiesen

Medienmitteilung der Universität Basel vom 27.08.2018

Physiker der Universität Basel möchten den Spin von einzelnen Elektronen als Informationseinheit für potenzielle Quantencomputer nutzen. Nun konnten sie erstmals einen vor 15 Jahren vorhergesagten Mechanismus beim Kippen des Elektronenspins experimentell nachweisen. Gleichzeitig gelang es den Wissenschaftlern, die Richtung des Elektronenspins für fast eine Minute konstant zu halten – ein neuer Weltrekord. «Nature Communications» hat die Ergebnisse einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Japan, der Slowakei und den USA veröffentlicht.

Der Eigendrehimpuls von Elektronen (Spin) lässt sich in einem zukünftigen Quantencomputer zur Speicherung von Informationen nutzen. Dieses Konzept hat Professor Daniel Loss vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Professor David DiVincenzo (RWTH Aachen) bereits vor 20 Jahren entwickelt und vorgeschlagen, den Elektronenspin in Quantenpunkten als kleinste Informationseinheit (Qubit) zu verwenden.

Theoretisch geeignet, experimentell herausfordernd

Der Elektronenspin erfüllt die dafür notwendigen Anforderungen: Wird ein Magnetfeld angelegt, kann der Spin in den beiden Zuständen «Spin-up» und «Spin-down» auftreten, die sich schnell hin und her schalten lassen.

Zudem unterliegt der Elektronenspin den besonderen Gesetzen der Quantenphysik. Die beiden Zustände können nämlich für einen bestimmten Zeitraum, der sogenannten Kohärenzzeit, gleichzeitig existieren. Spins lassen sich ausserdem miteinander koppeln. Wird der Zustand des einen Spins manipuliert, ändert sich sofort auch der Zustand des verschränkten Spins. Ein spin-basierter Quantencomputer könnte damit Millionen von Rechenoperationen gleichzeitig ausführen und Aufgaben erledigen, die für heutige Supercomputer undenkbar sind.

Schwierig ist jedoch die experimentelle Umsetzung der Theorie, unter anderem auch, weil die untersuchten Elektronen sowie ihr Spin winzig klein sind. Messungen und Manipulationen des Spins sind daher nur mit grossem technischen Aufwand möglich.

Neuer Mechanismus des Kippvorgangs

Eine Grundvoraussetzung, um die Richtung eines Spins zu messen, ist dessen Richtungsstabilität über einen möglichst langen Zeitraum. Unbeeinflusst tendiert der Spin dazu, relativ schnell auf den energetisch tieferen Zustand Spin-up zu kippen.

Diesen Kippvorgang, Relaxation genannt, untersucht die Gruppe von Professor Dominik Zumbühl vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institut der Universität Basel bereits seit einigen Jahren, da die so wichtige Kohärenzzeit immer auch durch die Relaxationszeit limitiert ist.

Erstmals konnten die Physiker nun einen neuen Mechanismus der Spinrelaxation experimentell nachweisen, der vor etwa 15 Jahren vorausgesagt worden war. Beim Kippen des Elektronenspins kippt dabei gleichzeitig ein Kernspin in die entgegengesetzte Richtung. Die überschüssige Energie wird dabei in Form einer Gitterschwingung abgegeben.

Technische Verbesserungen bringen den Fortschritt

Dank der technischen Neuerungen, welche diesen experimentellen Nachweis möglich machte, halten die Basler Wissenschaftler auch den Weltrekord in der Elektronenspinstabilität. Im Mittel konnten sie den Elektronenspin für 57 Sekunden auf dem energetisch hohen Spin-down Zustand halten.

Sie erreichten diesen Rekord, indem sie ihre Experimente mit hohem technischem Aufwand bei Temperaturen ganz knapp über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C durchführten und einen piezoelektrischen Rotator verwendeten, mit dem sie die Richtung des Magnetfeldes genau steuern konnten.

Für die Experimente entwarfen die Basler Forscher einen etwa 2 mal 2 Millimeter grossen Chip aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid, auf dem sie in einem Quantenpunkt mithilfe von nanofabrizierten Metallelektroden ein einzelnes Elektron einfingen. Gekühlt auf extrem tiefe 60 Millikelvin konnten die Wissenschaftler den Zeitraum von Tausenden der Kippvorgänge messen und erhielten für eine optimale Konfiguration mit dem kleinsten Magnetfeld den Durchschnittswert von 57 Sekunden.

«Mit dem experimentellen Nachweis des neuen Relaxationsmechanismus haben wir unser Verständnis über die Physik der Elektronenspins in Nanostrukturen, die als Qubits eingesetzt werden sollen, wesentlich erweitert», erläutert Dominik Zumbühl. «Diese Fortschritte, den Spin besser zu kontrollieren und zu messen, sind wichtige Zwischenschritte auf dem Weg zu einem Quantencomputer», ergänzt er.

Originalbeitrag:
Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Peter Stano, Jeramy D. Zimmerman, Arthur C. Gossard, Daniel Loss, and Dominik M. Zumbühl
Hyperfine-phonon spin relaxation in a single-electron GaAs quantum dot
Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-05879-x

Externer Link: www.unibas.ch

Mit Sensoren gegen Falschfahrer: Jungforscher bringen Frühwarnsystem zur Marktreife

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 21.08.2018

Drei Nachwuchswissenschaftler der Universität des Saarlandes haben ein System entwickelt, das Geisterfahrer stoppen und Unfälle verhindern kann. Für ihre solarbetriebene Erfindung, die kostengünstig in Leitpfosten am Straßenrand eingebaut wird, erhielten sie schon im Studium mehrere Preise. Mit einem EXIST-Stipendium gründen sie derzeit eine Firma. Das Saarland unterstützt ihr Vorhaben: Das Saar-Verkehrsministerium öffnet den Jung-Ingenieuren die Türen, damit das System auf die Straße kommt. Derzeit sammeln sie an saarländischen Autobahnen Massendaten, um die Software auszufeilen und zu verfeinern.

Es kommt eher selten vor, dass eine Idee das Potenzial hat, Leben zu retten. Und das sogar weltweit. Falschfahrer sind international ein Problem. Immer wieder kommt es zu Unfällen, die wegen der Wucht des Frontalaufpralls oft tödlich enden. Systeme, die abhelfen, sind meist teuer, aufwändig oder brachial – wie Krallen, die Reifen auch von Krankenwagen und Polizei platzen lassen. Und so bleiben heute Autobahnen vielerorts ungeschützt. Mit ihrem solarbetriebenen Sensorsystem liefern drei Nachwuchsforscher der Saar-Uni eine kostengünstige Lösung. Eingebaut ist es in Leitpfosten, die ohnehin am Straßenrand stehen.

„Unser Sensorsystem erkennt Falschfahrer und kann Fahrer, Polizei und Verkehrsfunk sofort warnen. Auch weitere Reaktionen können wir programmieren. So könnte etwa über ein verbundenes Leitsystem die Straße gesperrt werden“, erklärt Julian Neu (25), der das „Ghostbuster“ genannte System mit seinen Studienkollegen Daniel Gillo (27) und Benjamin Kirsch (26) während des Studiums entwickelt hat. Ihre Firma T-ProTex hat ihre Keimzelle auf dem Campus am Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik und Mikroaktorik von Professor Helmut Seidel.

„Unfälle mit Geisterfahrern haben wegen hoher Geschwindigkeiten oft ein besonders fatales Schadensausmaß, weshalb wir insbesondere an Autobahnauffahrten versuchen, Falschfahrer mit Schildern und Pfeilen vom falschen Weg abzubringen“, sagt die saarländische Verkehrsministerin Anke Rehlinger. „Ist der Autofahrer aber einmal falsch aufgefahren, bleibt dies meist unbemerkt, bis es zum Crash kommt. Ein Frühwarnsystem wie der Ghostbuster könnte hier eine echte Wende bringen – und im Ernstfall Leben retten.“ Sie findet die Idee so gut, dass ihr Ministerium die Weiterentwicklung der Leitpfosten unterstützt – mit dem Ziel, sie auf saarländischen Straßen zu testen. Damit wäre das Saarland Vorreiter der neuen Technik.

Nach Testläufen auf dem Campus sammeln die Gründer mit ihren Leitpfosten jetzt Daten an saarländischen Autobahnen, um die Software ihres Systems für den Praxiseinsatz auszufeilen. Das Verkehrsministerium hat hierfür alle Zuständigen im Land – vom Straßenbauamt über die Verkehrsleitstelle bis hin zur Polizei – an einen Tisch gebracht. „Es hat uns überrascht, wie viele Türen uns geöffnet werden. Wir hatten eine E-Mail an die Verkehrsministerin geschrieben und ihr unser System vorgestellt. Darauf hat sie uns eingeladen, es zu präsentieren. Als wir zu dem Termin kamen, war der Saal voller Entscheider aus den unterschiedlichsten Bereichen, die alle interessiert waren“, erzählt Julian Neu.

Mit Sensoren kommen die Jungingenieure den Geisterfahrern auf die Spur: „Ein Infrarot-Bewegungssensor erfasst pausenlos jede Bewegung im Umfeld von rund zehn bis zwölf Metern des Leitpfostens“, erklärt Benjamin Kirsch. Nähert sich ein Wagen, aktiviert dieser Sensor zwei weitere, die an den Seiten des Leitpfostens einander gegenüberliegen. Dadurch, dass das Auto erst an einem Sensor und Sekundenbruchteile später am anderen vorbeifährt, erfasst das System, in welcher Richtung das Fahrzeug fährt. „Weil nur einer der Sensoren ständig aktiv ist, der das System nur bei Bedarf aufweckt, arbeitet es sehr energiesparend“, ergänzt Daniel Gillo. Auch unterscheidet es zweifelsfrei Autos von anderen Störungen. „Ein Mikrofon erfasst hierzu Geräusche – allein das der Reifen auf dem Asphalt genügt schon“, erläutert er. Das Zusammenspiel der Sensoren ist bereits ausgereift, in vielen Tests haben die Gründer die Anordnung und die Signalverarbeitung optimiert. Mit den neuen Massendaten vorbeifahrender Autos von der Autobahn, verfeinern sie jetzt die Algorithmen, also die Befehle, die dem System exakt sagen, was es wann tun soll.

Die Idee zu ihrer Erfindung kam den Studenten nach einer Vorlesung von Professor Helmut Seidel. An seinem Lehrstuhl forschten Daniel Gillo, Julian Neu und Benjamin Kirsch als studentische Mitarbeiter schon während ihres Studiums. Jetzt hat ihre neue Firma T-ProTex in einem Raum des Lehrstuhls ihr Büro. „Das ist für unseren Start der ideale Rahmen. Der ständige Austausch mit Professoren, Wissenschaftlern und Experten etwa von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ist für uns Gold wert, von ihrem Know-how und ihrer Erfahrung profitieren wir sehr“, sagt Gründer Julian Neu.

Hintergrund

Mit ihrem Prototyp gewannen die Studenten 2016 den ersten Preis des Cosima-Studentenwettbewerbs in München. Ein Jahr später belegten sie beim internationalen Wettbewerb iCan in Peking den zweiten Platz. Im Juni 2017 erhielten sie den Deutschen Mobilitätspreis der Initiative „Deutschland – Land der Ideen“ und des Bundesverkehrsministeriums. Ebenfalls 2017 bewarben sie sich erfolgreich um ein EXIST-Gründerstipendium beim Bundeswirtschaftsministerium.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Zucker gefangen

Presseinformation der LMU München vom 23.08.2018

LMU-Chemiker haben ein künstliches Molekül entwickelt, das Zuckerbindungen erkennt und bindet.

Ein Team um Professor Ivan Huc, Leiter der Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU, hat eine künstliche molekulare Struktur in Form einer spiralförmigen Kapsel entwickelt und synthetisiert, die gezielt ein spezielles Zuckermolekül erkennen und „fangen“ kann: Xylobiose, wie herkömmlicher Zucker ein Disaccharid. Die Studie erscheint aktuell im Magazin Angewandte Chemie und wurde vom Herausgeber als „Very Important Paper“ ausgewählt – was nur weniger als fünf Prozent aller Veröffentlichungen des Journals vorbehalten ist.

Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur auf kleinster Ebene nach – als biomimetisch wird sein Ansatz daher bezeichnet. Bei der Synthese chemischer Stoffe lässt er sich von den Prinzipien inspirieren, die der Organisation von Biopolymeren zugrunde liegen: Biopolymere wie Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide bestehen typischerweise aus mehreren Untereinheiten, deren Sequenzen und räumliche Anordnung ihre strukturellen und funktionalen Eigenschaften festlegen. Ivan Huc kreiert künstliche Moleküle, Foldamere, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen. In der aktuellen Arbeit ging es Ivan Huc zusammen mit Mitarbeitern an der Universität Bordeaux, von wo er 2017 an die LMU wechselte, darum, mit diesem Ansatz ein Foldamer zu entwickeln, das gezielt Disaccharide bindet.

Dies ist dem Team bei Xylobiose gelungen. Wie die Analyse der Kristallstruktur zeigt, fängt das Foldamer das Disaccharid in einer spiralförmigen Kapsel ein und umhüllt es vollständig. Dabei geht das Disaccharid in axialer Position eine ungewöhnlich kompakte Konstellation ein: Zwischen dem gefangenen Zucker und der Kapselwand bildet sich ein dichtes Netz aus Wasserstoffbrücken. Damit dies gelingt, hat das Team den Rezeptor so gestaltet, dass die Kapsel etwas größer ist als nötig. Die vorliegende Arbeit zeigt, mit welcher Präzision sich „first principle design“, wie Ivan Huc seinen Ansatz nennt, realisieren lässt. “Es ist uns allein aufgrund der Erkenntnisse, die wir über die grundlegenden Prinzipien der Molekülerkennung und Faltung dieser Stoffe haben, gelungen, einen spezifischen Rezeptor zu entwickeln”, sagt Ivan Huc. In einem nächsten Schritt werden die Forscher versuchen, den Mechanismus auch in einem wässrigen Medium ablaufen zu lassen. Zudem planen sie, die spiralförmigen Rezeptoren zu Sensoren zu machen, zum Beispiel um Saccharide in lebenden Systemen bestimmen und darstellen zu können.

Originalpublikation:
Angewandte Chemie 2018

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