Molekül aus der Natur macht Akku-Elektrode hochleistungsfähig

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

Kopplung von Nanotrompete mit Quantenpunkt erlaubt exakte Positionsbestimmung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.07.2017

Wissenschaftlern aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Institutes und des Departement Physik der Universität Basel ist es gelungen, einen winzig kleinen Quantenpunkt mit einem tausendfach grösseren trompetenförmigen Nanodraht zu koppeln. Über die Wellenlänge des Lichts, das vom Quantenpunkt ausgesendet wird, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. Umgekehrt kann durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser die Schwingung des Nanodrahtes beeinflusst werden. «Nature Communications» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Die Teams um Professor Richard Warburton und Argovia-Professor Martino Poggio vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Universität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mechanischen Resonator von Mikrometergrösse mit einem nanometergrossen Quantenpunkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nanodrähte aus Galliumarsenid, die etwa 10 Mikrometer lang sind und oben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufgereihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nanometer breiten Basis platzierten die Wissenschaftler einen einzelnen Quantenpunkt, der einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden kann.

Schwingungen führen zu Spannungen

Schwingt nun der Nanodraht aufgrund einer thermischen oder elektrischen Anregung hin und her, führt die verhältnismässig grosse Masse am breiten Ende der Nanotrompete zu recht grossen Spannungen im Draht, die sich auf den Quantenpunkt an der Basis auswirken. Die Quantenpunkte werden zusammengequetscht und auseinandergezogen. Daraufhin verändert sich die Wellenlänge und damit die Farbe der vom Quantenpunkt ausgesendeten Photonen. Die Veränderungen sind zwar nicht besonders gross, doch eigens für derartige Messungen in Basel entwickelte sensible Mikroskope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellenlängenveränderungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den veränderten Wellenlängen die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser, die Schwingung des Nanodrahtes je nach Wunsch vergrössern oder verringern lässt.

Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie denkbar

«Uns fasziniert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unterschiedlicher Grösse möglich ist», bemerkt Professor Richard Warburton. Es gibt aber auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser gegenseitigen Kopplung. «Wir können diese gekoppelten Nanodrähte beispielsweise als sensible Sensoren zur Analyse von elektrischen oder magnetischen Feldern einsetzen», erläutert Argovia-Professor Martino Poggio, der mit seinem Team verschiedene Anwendungen von Nanodrähten untersucht. «Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quantenpunkte auf dem Nanodraht zu platzieren, diese über die Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben», ergänzt Richard Warburton, dessen Gruppe den vielfältigen Einsatz von Quantenpunkten in der Photonik im Fokus hat.

Künstliche Atome mit besonderen Eigenschaften

Quantenpunkte sind Nanokristalle, die auch künstliche Atome genannt werden, da sie sich ähnlich wie Atome verhalten. Mit einer typischen Ausdehnung von 10 – 100 Nanometern sind sie deutlich grösser als natürliche Atome. Ihre Grösse und Form sowie die Zahl der enthaltenen Elektronen lässt sich variieren. In den Quantenpunkten sind Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit deutlich eingeschränkt. Die daraus resultierenden Quanteneffekte verleihen ihnen ganz besondere optische, magnetische und elektrische Eigenschaften. So sind Quantenpunkte beispielsweise in der Lage nach einer Anregung einzelne Lichtteilchen (Photonen) auszusenden, die dann mithilfe eines massgeschneiderten Lasermikroskops erfasst werden können.

Originalartikel:
Mathieu Munsch, Andreas V. Kuhlmann, Davide Cadeddu, Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Resonant driving of a single photon emitter embedded in a mechanical oscillator
Nature Communications (2017) | DOI: s41467-017-00097-3

Externer Link: www.unibas.ch

Lernende Maschinen sagen die Eigenschaften von Röntgenstrahlen-Impulsen voraus

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 12.07.2017

Mithilfe lernender Rechner ist es einer Forschungsgruppe mit Beteiligung der Universität Kassel gelungen, die Eigenschaften spezieller Röntgen-Strahlung aus sogenannten Freie-Elektronen-Lasern (XFELs) genau und schnell zu bestimmten. Das macht Experimentatoren in aller Welt viele Untersuchungen von Molekülen und Atomen leichter und eröffnet neue Möglichkeiten der Grundlagenforschung in der Physik, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft.

XFELs stoßen eine extrem helle und vielseitige Strahlung aus, die in der Grundlagenforschung eingesetzt wird, um Moleküle und Atome in Großanlagen wie der Photonenquelle European XFEL in Hamburg zu beschießen und beim Zerfall zu untersuchen. Doch um die gewonnenen Daten exakt auszuwerten, müssen die Eigenschaften jedes Strahlungsimpulses – Intensität, Puls-Dauer, Wellenlänge – genau bestimmt werden. Das war bislang nur mit sehr aufwändigen und zeitintensiven Verfahren möglich.

Eine fast fünfzigköpfige Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat ein Verfahren entwickelt, die Eigenschaften der Impulse mit sehr großer Genauigkeit vorherzusagen. Beteiligt waren mit Gregor Hartmann und Andre Knie auch zwei Experimentalphysiker der Universität Kassel. Die Kasseler Wissenschaftler übernahmen dabei wesentliche Experimente an der LCLS in Kalifornien. Die Ergebnisse wurden jetzt im renommierten Forschungsjournal Nature Communications veröffentlicht.

Für ihre neue Methode entwickelten die Wissenschaftler einen Trick: Bestimmte Eigenschaften von XFEL-Impulsen lassen sich nur mit einem sehr aufwändigen und langwierigen Verfahren bestimmen. Andere Eigenschaften können mit einem schnelleren Verfahren bestimmt werden, das aber nur einen Teil der nötigen Daten liefert. Die Wissenschaftler brachten ihren Rechnern bei, diese beiden Datensätze miteinander zu verknüpfen und die Beziehung zwischen ihnen zu verstehen; von den „schnelleren“ Daten können die Computer nun auch auf die Daten rückschließen, die sonst nur sehr langsam zu gewinnen wären. „Man kann sich das vorstellen wie bei einer Sprache“, vergleicht Dr. André Knie, Mitarbeiter am Institut für Physik und Geschäftsführer des Forschungsverbunds „Elektronendynamik chiraler Systeme (ELCH)“: „Wir haben dem Algorithmus beigebracht, wie die Struktur, wie die ,Grammatik‘ der Eigenschaften von XFEL-Impulsen aussieht – neue Vokabeln können dann aus dem Kontext erschlossen werden. Das bedeutet, dass die Rechner selbstständig die Ergebnisse neuer Experimente auswerten können.“ Die Treffgenauigkeit liegt bei 97 Prozent.

„Für die Grundlagenforschung bedeutet dies, dass der Einsatz von XFELs viel praktikabler wird“, erläutert Knies Kollege Dr. Gregor Hartmann. „Atome und Moleküle lassen sich so in Zukunft umfassender, schneller und einfacher untersuchen. Unsere Arbeitsgruppe wird diese Technik einsetzen, um beispielsweise die Chiralität, die Händigkeit von Molekülen zu untersuchen“, also die Frage, warum sich Moleküle aus denselben Elementen oft völlig unterschiedlich verhalten. „Das Verfahren kann aber auch die Entwicklung neuer digitaler Speicherverfahren beschleunigen und im Grunde in allen Naturwissenschaften zum Einsatz kommen.“

Die Forschungsgruppe „ELCH – Elektronendynamik chiraler Systeme“ wurde vom Land Hessen im Rahmen des LOEWE-Programms gefördert. Auch durch dieses Programm hat sich an der Universität Kassel ein Kompetenzcluster für die Untersuchung von Materie mithilfe von Laser-Impulsen profiliert.

Publikation:
Sanchez-Gonzalez, A. et al. Accurate prediction of X-ray pulse properties from a free-electron laser using machine learning. Nat. Commun. 8, 15461 doi: 10.1038/ncomms15461 (2017).

Externer Link: www.uni-kassel.de

Virologen der Saar-Uni entdecken neuen Mechanismus, der die Hautkrebs-Entstehung begünstigt

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 23.06.2017

Wer ohne Sonnenschutz im Sommer unterwegs ist, setzt seine Haut mitunter zu viel UV-Strahlung aus, die Hautkrebs verursachen kann. Forschern der Saar-Uni um Professorin Sigrun Smola ist es nun gelungen, einen bisher unbekannten Mechanismus zu entschlüsseln, der Hautkrebs fördern kann. Dabei spielen Haut-Papillomviren eine zentrale Rolle. Sie unterbrechen den natürlichen Schutzmechanismus der Haut. Beobachten konnten sie dies bei Patienten, die an einer seltenen Hautkrankheit „Epidermodysplasia verruciformis“ leiden und besonders anfällig sind, an sonnenbestrahlten Stellen Hautkrebs zu bekommen. Der Gendefekt führt dazu, dass sich in den betroffenen Hautpartien bestimmte Papillomviren vermehren können. Die Ergebnisse wurden gestern im Fachmagazin „PLOS Pathogens” veröffentlicht.

Die Rolle humaner Papillomviren ist bei der Entstehung von Gebärmutterhalskrebs gut erforscht. Auch bei Hautkrebs wird schon seit längerem vermutet, dass bestimmte Haut-Papillomviren eine Rolle spielen und die krebsfördernde Wirkung von UV-Licht begünstigen können. Anna Marthaler, weitere Mitarbeiter aus dem Team von Sigrun Smola und ihre Projektpartner aus dem Universitätsklinikum des Saarlandes bringen mit ihren Forschungsergebnissen nun Licht ins Dunkel.

Bei gesunden Menschen dämmen bestimmte Moleküle, wie der Faktor C/EBPα, die schädliche Wirkung von UV-Licht auf die Haut ein. Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Papillomviren in den befallenen Hautpartien diesen Schutzmechanismus unterbrechen können. Hierfür reichte in ihren Experimenten mit organotypischen Hautkulturen ein einziges virales Protein, das so genannte HPV8 E6 Onkoprotein, aus. Als Folge wird die Arbeit einer bestimmten microRNA-203 gestört, die Stammzellen in Schach hält. Der Einfluss des viralen Onkoproteins führte daher dazu, dass diese „Bremse“ gelöst wird und sich Hautzellen mit Stammzellcharakter besser vermehren können. Viele Tumorarten haben ihren Ursprung in Stammzellen, die sich dann – wie im Falle des Hautkrebses durch zu viel UV-Licht – in Tumore verändern können.

Beobachten konnten die Wissenschaftler um Professorin Smola diese Ereigniskette an Patienten, die an der seltenen Erkrankung „Epidermodysplasia verruciformis“ leiden. Menschen, die diesen Gendefekt tragen, sind an den betroffenen Hautpartien sehr anfällig für bestimmte Haut-Papillomviren und erkranken infolgedessen vermehrt an Hautkrebs. Die saarländischen Forscher arbeiteten mit Gewebeproben der Erkrankten und konnten an diesen den unterbrochenen Wirkmechanismus nachweisen.

„Dieser Zusammenhang war bisher nicht bekannt. Interessant wird es sein, ob dieser Mechanismus auch für die Entstehung von Tumoren in anderen Gewebearten verantwortlich sein kann“, erklärt Sigrun Smola. „Außerdem eröffnet unsere Studie neue Möglichkeiten für die pharmazeutische Forschung an Medikamenten, die diesen Mechanismus wieder herstellen können.“

Publikation:
Die Studie „Identification of C/EBPα as a novel target of the HPV8 E6 protein regulating miR-203 in human keratinocytes“ ist am 22. Juni im Fachmagazin PLOS Pathogens erschienen und wurde durch die Staatskanzlei Saarland unterstützt.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Graphen-„Sandwich“ mit rotierenden Molekülen

Pressemeldung der Universität Wien vom 09.06.2017

„Wundermaterial“ Graphen als Nano-Reaktionskammer

Materialforscher um Jannik Meyer von der Fakultät für Physik der Universität Wien haben eine neue Hybridstruktur hergestellt: Bei den so genannten Buckyball-Sandwiches liegt eine einzelne Lage Fulleren-Moleküle (Kugeln aus 60 Kohlenstoffatomen mit der ungefähren Struktur eines Fußballs) eingebettet zwischen zwei Graphen-Membranen. Graphen gilt als neues „Wundermaterial“ und ist eine, nur ein Atom dicke, Schicht aus Kohlenstoff. Unter dem Elektronenmikroskop konnten die Forscher nun erstmals die Diffusion von einzelnen Molekülen im zweidimensionalen Hohlraum zwischen den Graphen-Membranen nachweisen, sowie deren Rotation und das Verschmelzen von zwei oder mehreren Molekülen beobachten. Die Studie erscheint in Science Advances.

Kohlenstoff ist eines der vielseitigsten Elemente: Es bildet die Basis für eine riesige Menge an chemischen Verbindungen, man findet es in verschiedenen Formen unterschiedlicher Dimensionalität, und es kann Bindungen in diversen Geometrien eingehen. Aus diesen Gründen nehmen Kohlenstoffmaterialien schon lange einen besonderen Platz in der Materialforschung ein. Während die dreidimensionalen Strukturen aus Kohlenstoff – Diamant und Graphit – seit der Antike bekannt sind, wurde das erste niedrigdimensionale Allotrop, die quasi 0-dimensionalen Fullerene, erst 1985 entdeckt. Seit 1991 sind eindimensionale Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein beliebtes Forschungsthema; seit 2004 ist die zweidimensionale Form, Graphen, experimentell realisierbar. Auch verschiedene Kombinationen aus diesen Kohlenstoff-Allotropen, wie z.B. Fulleren-gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhrchen und in Graphit eingebettete Fullerene haben WissenschafterInnen bereits hergestellt und erforscht.

Die Forscher der Universität Wien stellten jüngst ein hybrides Kohlenstoffsystem her, bei dem eine einzelne Lage Fullerene zwischen zwei Graphen-Schichten eingebettet ist. Die Untersuchung der Struktur dieses Buckyball-Sandwiches mittels atomar aufgelöster Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie lieferte überraschende Einblicke in die Dynamik der Moleküle. An den Rändern der Fulleren-Ebenen beobachteten die Forscher die Diffusion einzelner Fullerene innerhalb des Graphen-Sandwiches. Außerdem rotierten die Fullerene – diese Rotation wird aber blockiert, wenn die Fullerene unter längerer Elektronenbestrahlung zu größeren Objekten verschmelzen.

Mit dem Fulleren-Graphen-System haben die Wissenschafter ein neues Materialsystem hergestellt, das eine Lücke in den verfügbaren Kombinationen von Kohlenstoff-Hybridstrukturen füllt. Das Graphen-Sandwich stellt eine Nano-Reaktionskammer dar, mit der molekulare Dynamik im Transmissions-Elektronenmikroskop durch die Graphen-Fenster hindurch beobachtet werden kann. Die Forscher erwarten, dass diese Arbeit auch vielfältige neue Möglichkeiten zur Studie von anderen molekularen Systemen im zweidimensionalen Zwischenraum zweier Graphen-Membranen ermöglicht.

Originalpublikation:
Science Advances
R. Mirzayev, K. A. Mustonen, M. R. A. Monazam, A. Mittelberger, T. J. Pennycook, C. Mangler, T. Susi, J. Kotakoski, J. C. Meyer, Buckyball sandwiches. Sci. Adv. 3, e1700176 (2017)
DOI: 10.1126/sciadv.1700176

Externer Link: www.univie.ac.at