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Neues Materialdesign ermöglicht ungestörte Lichtwellen

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Presseaussendung der TU Wien vom 10.08.2015

In Materialien, die Licht abschwächen und verstärken können, sind überraschende Arten von Lichtwellen möglich – das zeigen Berechnungen der TU Wien.

Wenn eine Lichtwelle in ein Material eindringt, ändert sie sich normalerweise drastisch. Sie wird gestreut und abgelenkt, und durch die Überlagerung von Lichtwellen kommt es zu einem Muster aus helleren und dunkleren Bereichen. In maßgeschneiderten High-Tech-Materialien, die das Licht lokal verstärken oder abschwächen können, ergeben sich nun neue Möglichkeiten solche Effekte vollständig zu unterdrücken: Wie eine theoretische Arbeit der TU Wien zeigt, ermöglichen diese neuen Materialien ganz besondere Lichtwellen, die im Inneren des Materials an jedem Ort dieselbe Intensität aufweisen – so als gäbe es keinerlei Wellenüberlagerung. Durch diese ungewöhnlichen Eigenschaften könnten sich diese neuartigen Lösungen der Wellengleichung des Lichts technisch nutzen lassen.

Hindernisse verändern die Lichtintensität

Wenn sich eine Lichtwelle gerade und eben durch den freien Raum bewegt, dann kann sie überall dieselbe Intensität haben, ihr Licht ist demnach überall gleich hell. Trifft sie allerdings auf ein Hindernis, dann wird die Welle abgelenkt, das Licht ist danach an manchen Stellen heller, an anderen Stellen dunkler als es ohne Hindernis gewesen wäre. Erst durch solche Überlagerungs- oder Interferenzeffekte können wir Objekte sehen, die selbst kein Licht ausstrahlen.

In den letzten Jahren gab es allerdings immer wieder Experimente mit neuen Materialien, die Lichtwellen auf ganz besondere Weise verändern können: Sie können das Licht lokal verstärken (ähnlich wie das in einem Laser geschieht) oder auch abschwächen (wie in einer Sonnenbrille). „Wenn solche Prozesse möglich sind, muss man die Lichtwelle mathematisch anders beschreiben, als man es in gewöhnlichen, transparenten Materialien tut“, erklärt Prof. Stefan Rotter (Institut für Theoretische Physik, TU Wien). „Wir sprechen dann von sogenannten nicht-hermitischen Medien.“

Eine neue Lösung für die Wellengleichung

Konstantinos Makris und Stefan Rotter entdeckten gemeinsam mit Kollegen aus den USA, dass sich damit neuartige Lösungen der Wellengleichung finden lassen. „Man erhält Lichtwellen, die überall gleich hell sind, wie bei einer ebenen Welle im freien Raum, obwohl die Welle ein stark strukturiertes Material durchdringt“, sagt Konstantinos Makris. „Für die Welle ist das Material in gewissem Sinn unsichtbar, obwohl sie es durchdringt und mit ihm stark wechselwirkt.“

Das neue Konzept der Physiker erinnert an sogenannte „Metamaterialien“, mit denen in den letzten Jahren viel experimentiert wurde. Dabei handelt es sich um strukturierte Materialien, die Licht auf ungewöhnliche Weise ablenken und in bestimmten Fällen um ein Objekt herum führen können, sodass das Objekt wie durch Harry Potters Tarnumhang („invisibility cloak“) unsichtbar gemacht wird. „Unsere nicht-hermitischen Materialien funktionieren allerdings auf Basis eines anderen Prinzips“, betont Stefan Rotter. „Die Lichtwelle wird nicht außen herumgelenkt, sondern sie durchdringt das Material. Aber der Effekt, den das Material auf die Intensität der Welle hat, wird durch ein genau justiertes Wechselspiel aus Verlust und Verstärkung ausgeglichen.“ Am Ende ist die Welle überall im Raum genauso hell, wie sie ohne das Objekt gewesen wäre.

Bis es tatsächlich gelingt, Objekte herzustellen, die Lichtwellen unberührt passieren lassen, ist noch eine Reihe technischer Details zu lösen – gearbeitet wird daran bereits. Mathematisch ist allerdings nun bewiesen, dass es neben Metamaterialien auch noch einen anderen, äußerst vielversprechenden Pfad gibt, Wellen auf ungewöhnliche Weise zu manipulieren. „In einem gewissen Sinn haben wir mit unserer ersten Arbeit zu diesem Thema eine Tür aufgestoßen, hinter der wir noch eine Vielzahl an neuen Einsichten vermuten“, erklärt Konstantinos Makris. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Nature Communications

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Quantenzustände in einem Nanoobjekt lassen sich durch mechanisches System manipulieren

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 03.08.2015

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben mithilfe von Federbalken aus einkristallinen Diamanten ein neuartiges Bauteil entwickelt, bei dem ein Quantensystem in ein mechanisches schwingendes System integriert ist. Erstmals konnten die Forschenden zeigen, dass sich mit diesem mechanischen System ein im Federbalken eingebetteter Elektronenspin kohärent manipulieren lässt – und zwar ohne externe Antennen oder komplexe mikroelektronische Strukturen. Die Ergebnisse dieser experimentellen Studie werden in «Nature Physics» veröffentlicht.

Die Gruppe um den Georg-H.-Endress-Professor Patrick Maletinsky hat bereits in vorangegangen Veröffentlichungen beschrieben, dass sich Federbalken aus einkristallinen Diamanten mit einzelnen eingebetteten Elektronen bestens eignen, um den Spin dieser Elektronen zu adressieren. Diese Diamant-Federbalken wurden an mehreren Stellen so modifiziert, dass in ihrem Kristallgitter ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt wurde und gleich daneben eine Leerstelle entstand. In diesen «Stickstoff-Vakanzzentren» kreisen einzelne Elektronen, deren Spin oder Eigendrehimpuls in dieser Arbeit untersucht wurde.

Wird nun der Federbalken in Schwingung versetzt, entstehen Spannungen in der Kristallstruktur des Diamanten. Dies hat wiederum einen Einfluss auf den Spin der Elektronen, der bei einer Messung in zwei mögliche Richtungen (nach «oben» oder «unten») zeigen kann. Mithilfe von Fluoreszenzspektroskopie lässt sich diese Ausrichtung des Spins auslesen.

Extrem schnelle Spin-Oszillation

In der aktuellen Veröffentlichung haben die Wissenschaftler die Federbalken nun so geschüttelt, dass sie dadurch erstmals eine kohärente Oszillation des gekoppelten Spins induzieren konnten. Das bedeutet, dass der Eigendrehimpuls der Elektronen kontrolliert in einem schnellen Rhythmus von oben nach unten und umgekehrt wechselt und die Wissenschaftler zu jedem Zeitpunkt den Spinzustand kontrollieren können. Dabei ist diese Oszillation des Spins schnell verglichen mit der Frequenz des Federbalkens. Sie schützt den Spin zudem vor schädlichen Dekohärenz-Mechanismen.

Gut vorstellbar ist eine Anwendung dieser Diamant-Federbalken in der Sensorik, da sich die Auslenkung des Federbalkens über den veränderten Spin erfassen lässt, und zwar potenziell auf eine sehr sensitive Art und Weise. Zudem kann nach den neuen Erkenntnissen der Spin über einen recht langen Zeitraum von annähernd hundert Mikrosekunden kohärent rotiert werden, was die Präzision der Messung erhöht. Eventuell liessen sich Stickstoff-Vakanzzentren auch zur Entwicklung eines Quantencomputers heranziehen. In diesem Fall wäre die in dieser Arbeit gezeigte schnelle Manipulation ihrer Quantenzustände ein entscheidender Vorteil.

Originalbeitrag:
Arne Barfuss, Jean Teissier, Elke Neu, Andreas Nunnenkamp, Patrick Maletinsky
Strong mechanical driving of a single electron spin
Nature Physics (2015), doi: 10.1038/nphys3411

Externer Link: www.unibas.ch

In die Zange genommen

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Presseinformation der LMU München vom 03.08.2015

Zuerst wird das Gerüst geknackt, dann werden defekte Bauteile ausgetauscht: Zellen reparieren beschädigte DNA anders als bisher angenommen, wie LMU-Chemiker zeigen.

Defekte in der DNA können schwere Schäden im Organismus auslösen bis hin zum Zelltod oder der Entstehung von Krebs. Effiziente Reparaturmechanismen sind daher essenziell. Die LMU-Chemiker Professor Christian Ochsenfeld, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Chemie der LMU, und Dr. Keyarash Sadeghian aus seiner Arbeitsgruppe haben erstmals die Arbeitsweise eines menschlichen DNA-Reparaturenzyms detailliert aufgeklärt. Ihre Computersimulationen zeigen, dass die Reparatur anders abläuft als bisher gedacht. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Journal of the American Chemical Society.

Die DNA setzt sich aus bestimmten Grundbausteinen zusammen, die aus jeweils einer Nukleinbase, einem Zucker und einer Phosphatgruppe bestehen. In der Abfolge der Nukleinbasen sind die Erbanlagen kodiert. Die über die Phosphatgruppen miteinander verbundenen Zucker, an die jeweils eine Nukleinbase gebunden ist, bilden das Gerüst der DNA. Reaktive Sauerstoffspezies, die als Nebenprodukt der Atmung in jeder Zelle entstehen, attackieren die DNA. Sie greifen oft die Nukleinbase Guanin an und oxidieren diese zu einer sogenannten 8OG-Base. Dieser Defekt kann zu einer fehlerhaften DNA-Replikation und damit zu schädlichen Mutationen führen. DNA-Reparaturenzyme sind deshalb dafür zuständig, solche Basen zu erkennen, in ihrem Reaktionszentrum zu binden und aus dem DNA-Strang zu entfernen.

„Es ist sehr bemerkenswert, dass das menschliche Reparaturenzym hOGG1 nur die oxidierte Guanin-Form aus der DNA herausschneidet, die normale Base aber nicht, obwohl es auch das normale ungeschädigte Guanin in seiner aktiven Tasche binden kann und beide Formen identische Positionen einnehmen“, sagt Sadeghian, der Erstautor der Studie.

Umweg führt zum Ziel

Mithilfe von komplexen quantenmechanischen Computersimulationen, die in Ochsenfelds Gruppe entwickelt wurden, konnten die Wissenschaftler nun erstmals aufklären, wie das Reparaturenzym zwischen normaler und oxidierter Base unterscheidet. Der Trick dabei ist: Das Enzym nimmt einen Umweg. „Im Gegensatz zu der bisherigen Annahme, dass für die Reparatur zuerst die oxidierte Form des Guanins aktiviert werden muss, haben wir nun zeigen können, dass der mit ihm verbundene Zucker für den ersten Schritt eine entscheidende Rolle spielt“, sagt Sadeghian. „Das Reparaturenzym öffnet zuerst die Ringstruktur des Zuckers, indem es ihn wie eine Zange von zwei Seiten gleichzeitig angreift. Dieser Schritt funktioniert nur, wenn der Zucker mit der oxidierten Form der Base verbunden ist. Ist sein Partner ein normales Guanin, wird das Enzym gestoppt und kann seine Aktivität nicht mehr fortsetzen.“ Die Öffnung des Zuckers destabilisiert die sonst sehr stabile chemische Bindung zwischen der oxidierten Nukleinbase und dem DNA-Strang, die dann in weiteren Schritten gelöst wird.

Diese clevere Strategie verfolgt nicht nur das menschliche Reparaturenzym hOGG1, sondern auch ein bakterielles Reparaturenzym, das sich strukturell von ihm unterscheidet, wie die Wissenschaftler zeigen konnten. „Unser Fund, dass DNA-Reparaturenzyme einen Umweg gefunden haben und ihr Zielobjekt nicht direkt im ersten Schritt angreifen, öffnet neue Perspektiven für ein Verständnis dieser Prozesse“, sagt Ochsenfeld. „Mithilfe unserer Computersimulationen können wir erstmals chemische Reaktionen verfolgen, die in der Natur so hochkomplex ablaufen, dass sie experimentell nicht immer einzufangen sind. So können wir in Zukunft hoffentlich klären, ob diese DNA-Reparaturmechanismen auch für weitere Enzyme mit ähnlicher Funktion in Frage kommen.“ (göd)

Publikation:
JACS 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Entscheidender Faktor für die Stabilität der Blutkapillaren im Gehirn identifiziert

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 28.07.2015

Wissenschaftler der Universität Tübingen untersuchen molekulare Steuerung der Gefäßentwicklung bei Mäusen – Ursachenforschung für Schlaganfall beim Menschen

Das Gehirn hat einen hohen Sauerstoffbedarf, sein Gewebe wird daher bis in jeden kleinsten Winkel von haarfeinen Blutgefäßen durchzogen. Sind diese Kapillaren zum Beispiel durch Bluthochdruck oder hohes Lebensalter geschädigt, sprechen Mediziner von der Kleingefäßerkrankung des Gehirns. Diese ist nach Einschätzung von Medizinern Ursache von etwa einem Fünftel der Schlaganfälle und kann bestimmte Formen der Demenz zur Folge haben. Wie die Entwicklung und Instandhaltung der Kapillaren im Gehirn auf molekularer Ebene gesteuert wird, haben Dr. Christine Weinl und Professor Alfred Nordheim vom Interfakultären Institut für Zellbiologie der Universität Tübingen und Salvador Castaneda und Professor Bernd Pichler vom Tübinger Werner Siemens Imaging Center analysiert. Die Studie ist eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich und den USA. Die Forscher haben bei Untersuchungen an gentechnisch veränderten Mäusen festgestellt, dass der in vielen anderen zellulären Prozessen wichtige „Serum Response Faktor“ mehrere Gene steuert, die für die Stabilität und Schrankenfunktion der kleinen Gefäße entscheidend sind. Die Ergebnisse geben wichtige Hinweise auch für die Schlaganfallforschung am Menschen. Die Studie wird in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) veröffentlicht.

Die feinen Gefäße im Gehirn werden von den sogenannten Endothelzellen gebildet, die durch mehrere Kontaktstrukturen eng miteinander verbunden sind. Diese Kontakte zwischen den Endothelzellen verleihen den Kapillaren eine hohe mechanische Stabilität und erlauben den Zellen darüber hinaus, den Stoffaustausch zwischen dem Blut und dem Hirngewebe spezifisch und genau zu kontrollieren. Sie bilden die sogenannte Blut-Hirn-Schranke, die das empfindliche Hirngewebe besonders vor Schadstoffen schützt.

Das Wissenschaftlerteam untersuchte gentechnisch veränderte Mäuse, bei denen in den Endothelzellen der „Serum Response Faktor“ künstlich entfernt wurde. Bei diesen Mäusen war die Blut-Hirn-Schranke nicht voll funktionsfähig, und im Gehirn traten vermehrt Blutungen auf – die Tiere entwickelten das Krankheitsbild der Kleingefäßerkrankung des Gehirns. Sowohl bei neugeborenen als auch bei erwachsenen Mäusen löste ein Mangel an „Serum Response Faktor“ Gehirnblutungen aus.

Über bildgebende Verfahren der Magnetresonanztomografie (MRT) ließen sich die entstehenden Schäden im Gehirn genauer lokalisieren und im zeitlichen Ablauf erfassen. Auf molekularer Ebene zeigte sich, dass der „Serum Response Faktor“ Einfluss auf mehrere Gene nimmt, die zur Entwicklung und Stabilität der kleinen Gefäße aktiv sein müssen. Bei Mangel an „Serum Response Faktor“ verloren die dichten Zellverbindungen der kleinen Gefäße ihre Funktionalität und erlaubten den Austritt von Blut aus den Gefäßen. Die Wissenschaftler machten somit den „Serum Response Faktor“ als Hauptregulator des Aufbaus und der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke dingfest. Sie entwickeln die Hypothese, dass eine veränderte Aktivität des Faktors und seiner Zielgene auch beim Menschen zum Entstehen der Kleingefäßkrankheit des Gehirns und bestimmter Formen des Schlaganfalls beitragen könnte.

Originalveröffentlichung:
Christine Weinl, Salvador Castaneda Vega, Heidemarie Riehle, Christine Stritt, Carsten Calaminus, Hartwig Wolburg, Susanne Mauel, Angele Breithaupt, Achim D. Gruber, Bohdan Wasylyk, Eric N. Olson, Ralf H. Adams, Bernd J. Pichler, and Alfred Nordheim: Endothelial depletion of murine SRF/MRTF provokes intracerebral hemorrhagic stroke. PNAS, Veröffentlichung in der Woche vom 27. bis 31. Juli 2015, DOI: 10.1073/pnas.1509047112

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Einblicke in Abgaskatalysatoren

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.07.2015

Röntgentechniken erschließen Wechselwirkungen der aktiven Metalle mit den Gasmolekülen – Publikation in Chemical Communications

Wie funktionieren Abgaskatalysatoren? Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Reaktionen unter wirklichkeitsnahen Bedingungen untersucht: Mithilfe von Röntgenstrahlung beobachteten sie die Wechselwirkungen des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren – den Übergangsmetallionen, an denen die Reaktion stattfindet – der Katalysatoren Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Ihre Ergebnisse können dazu beitragen, die Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern. In der Zeitschrift Chemical Communications stellen die Forscher ihren Ansatz vor. (DOI: 10.1039/C5CC01758K)

Moderne Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben erheblich dazu beigetragen, Schadstoffemissionen zu reduzieren. Durch Oxidation beziehungsweise Reduktion – Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen – wandeln Abgaskatalysatoren Verbrennungsschadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide in die Stoffe Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff um. Immer striktere Vorgaben des Gesetzgebers verlangen, den Kraftstoffverbrauch zu verringern und den Ausstoß von Stickoxiden weiter zu senken. Durch Zugabe des Reduktionsmittels Ammoniak, das zum Beispiel durch Zersetzung der hochreinen Harnstofflösung AdBlue® im Fahrzeug gebildet wird, lassen sich die Stickoxide am Katalysator zu unschädlichem Stickstoff und Wasserdampf umsetzen. Die Harnstofflösung wird dazu vor dem Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt.

Um Katalysatoren zu verbessern, ist es erforderlich, ihre Funktion und die einzelnen Reaktionsschritte genau zu verstehen. „Verlässliche Erkenntnisse über die ablaufenden Reaktionen lassen sich nur unter realitätsnahen Reaktionsbedingungen gewinnen“, erklärt Professor Jan-Dierk Grunwaldt, Inhaber des Lehrstuhls Chemische Technik und Katalyse am KIT. „Das heißt, wir müssen den Katalysatoren bei der Arbeit zuschauen. Dazu bieten Synchrotronstrahlungsquellen hervorragende Möglichkeiten.“ Synchrotronstrahlung ist Röntgenstrahlung mit einer Energie von einigen bis zu Hunderten oder sogar einer Million Elektronenvolt. Mit ihr lassen sich die Eigenschaften der aktiven Metallzentren im Katalysator und deren Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen beobachten. Dabei bieten sich zwei Methoden an: Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) erlaubt es, den Oxidationszustand und die Koordinationszahl, das heißt die Zahl der nächsten Nachbarn eines Atoms, zu ermitteln. Die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) ermöglicht neuerdings zusätzlich, zwischen den adsorbierten – am Katalysator angelagerten Stoffen – zu unterscheiden. So lässt sich erschließen, welche Moleküle zur Reduktion führen, wann eine konkurrierende Adsorption stattfindet, das heißt, wann mehrere Stoffe um die Anlagerung am Katalysator konkurrieren, und wie einzelne Moleküle am Metallatom koordinieren.

Eine Forschungsgruppe um Professor Jan-Dierk Grunwaldt zusammen mit Professor Christoph R. Jacob, der kürzlich vom KIT an die TU Braunschweig berufen wurde, und Dr. Pieter Glatzel von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble/Frankreich hat nun erstmals beide Methoden kombiniert, um die Reaktionen an zwei bereits in Fahrzeugen eingesetzten katalytisch aktiven Materialien unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. Dabei handelt es sich um die Materialien Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Beide Materialien basieren auf Zeolithen, das sind besondere Mineralien mit poröser Gerüststruktur. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen stellen die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Chemical Communications vor.

Mithilfe der Röntgentechniken untersuchten und verglichen die Forscher die Wechselwirkung des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren. „Obwohl in Summe die gleiche Reaktion abläuft, haben wir für die zwei Katalysatoren unterschiedliche Reaktionswege beobachtet“, berichtet Tobias Günter, Doktorand am Lehrstuhl Chemische Technik und Katalyse des KIT. Für die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator wiesen die Wissenschaftler eine Adsorption des Stickstoffmonoxids über ein positiv geladenes Sauerstoffatom nach. Am Cu-SSZ-13-Katalysator hingegen zeigte sich dieses Verhalten nicht. Da außerdem keine direkte Koordination über das Stickstoffatom stattfand, gehen die Forscher von einer Reaktion aus der Gasphase mit einer möglichen Aktivierung am Ammoniakmolekül aus. „Dies kann auch erklären, warum Ammoniak die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator hemmte, was am Cu-SSZ-13-Katalysator nicht festzustellen war“, erläutert Tobias Günter.

Die Erkenntnisse der Forscher um Jan-Dierk Grunwaldt liefern wertvolle Informationen für Modelle, um das Verhalten der Katalysatoren im Betrieb besser vorhersagen zu können. „Unser Ansatz mit den zwei röntgenbasierten Methoden eignet sich nicht nur für die genannten Materialien, sondern lässt sich auf viele weitere Materialien und Reaktionen übertragen“, sagt Professor Grunwaldt. In Zukunft kann dieser Ansatz die weitere Entwicklung und Verbesserung von Abgaskatalysatoren wesentlich voranbringen. (or)

Publikation:
Tobias Günter, Hudson W. P. Carvalho, Dmitry E. Doronkin, Thomas Sheppard, Pieter Glatzel, Andrew J. Atkins, Julian Rudolph, Christoph R. Jacob, Maria Casapua and Jan-Dierk Grunwaldt: Structural snapshots of the SCR reaction mechanism on Cu-SSZ-13. Chemical Communications, 2015, 51, 9227-9230. DOI: 10.1039/C5CC01758K.

Externer Link: www.kit.edu