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Erstmals Moleküle in Halbleiterstrukturen elektrisch kontaktiert

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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

Hightech-Zahnersatz: Mit Nanotechnik gegen Bakterien

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.07.2018

Entzündungen von Zahnimplantaten bereiten große Probleme – Mikro- und Nanotechnik bremst Bakterien aus – Forscher des KIT optimieren Zahnersatz mit nanostrukturierten Oberflächen

Gefäßerweiternde Stents, „Labs-on-Chip“ für Analysen auf kleinster Fläche, 3-D-Zellkultursysteme für die Geweberekonstruktion: Mikrotechnik wird für die Medizintechnik immer wichtiger. Auch in der Implantologie öffnet sie neue Potenziale. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten für Zahnimplantate eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, welche die Wundheilung nach der Implantation künftig beschleunigen und besser gegen den Einfall von Bakterien schützen kann.

„Mikrotechnik kann Zahnimplantate nachhaltig verbessern“, sagen Professor Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Biomedizinische Mikrotechnik“ (BioMEMS) leiten. Moderne Zahnimplantate bestehen aus einer Titan-Schraube, die als Wurzelersatz in den Kieferknochen eingebracht wird, einem damit verbundenen „Stützpfeiler“ – auch „Abutment“ genannt – aus Titan für den Zahnersatz und der sichtbaren Zahnkrone. Titan ist das Material der Wahl. Es ist biokompatibel und sorgt für ein gutes Einwachsen der Schraube in den Knochen, die so genannte Osseointegration. Optimierungen von Zahnimplantaten fokussierten sich bislang vor allem auf die Titanoberfläche der Schraube, um diesen Prozess weiter zu verbessern. Problematisch ist aber, dass Zahnimplantate sich auch nach erfolgreicher Osseointegration entzünden können.

Haupteinfallstor für Bakterien ist das Abutment. An diesem Implantteil wächst das Zahnfleisch häufig nicht richtig an. Dadurch können sich Taschen bilden, über die Bakterien bis zum Kieferknochen gelangen und dort Entzündungen hervorrufen können. In diesem Fall bleibt in der Regel nur die Entfernung des gesamten Implantats. Diese potentielle Problemstelle will das BioMEMS-Team schließen. Die Forschungen basieren auf einer beim Implantat-Spezialisten „Abutments4life“ entwickelten Optimierung: Kaum haarbreite Rillen umlaufen das Abutment und steuern die für die Wundheilung zuständigen Zellen gezielt in die richtige Richtung. So kann die Wunde schneller verheilen. „An diesem System setzen wir an“, berichtet Patrick Doll, Wissenschaftler am IMT. Bei der Weiterentwicklung stehen zwei Dinge im Fokus. Zum einen eine präzisere Strukturierung der Rillen für eine noch genauere Steuerung der Zellen und zum anderen die Suche nach der optimalen Nanooberfläche, die den Bakterien möglichst wenige Chancen zum Andocken bietet.

Mit dem Elektronenstrahlschreiber hat Doll säulenförmige Strukturen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und einer Höhe von 500 Nanometern hergestellt, hieran Adhäsionsexperimente mit typischen Testkeimen wie S. Aureus, E coli oder P. aeruginosa durchgeführt und die Strukturen dabei immer wieder verändert. Dabei zeigte sich: Abhängig von Abstand und Anordnung der Säulen reduziert sich die Anhaftung der Bakterien und die Bildung eines Biofilmes verzögert sich. Den nachwachsenden Zellen bleibt dadurch mehr Zeit, um die Wunde zu verschließen – ein Effekt, den ansonsten nur Antibiotika erzielen.

„Wir glauben, dass unser struktureller Ansatz zukunftsweisend ist“, betont Doll. Die Herstellung der Nano-Strukturen gelingt auf Silizium-Basis fehlerfrei und reproduzierbar. Verfahren für die Übertragung auf Titan haben die Wissenschaftler im Zuge des Projektes ebenfalls entwickelt. Nach der ersten Forschungsphase im Labor soll in Kürze die präklinische Erprobung folgen. Anwendungspotenziale über die Zahnmedizin hinaus sehen die Experten unter anderem bei Knochenplatten, Hörimplantaten oder künstlichen Gelenken.

Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Partner des IMT war der Implantat-Hersteller „Abutments4Life“. Die biologischen Untersuchungen wurden an der Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt. (sur)

Externer Link: www.kit.edu

Der perfekte Terahertz-Strahl – mit dem 3D-Drucker

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Presseaussendung der TU Wien vom 10.07.2018

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple Kunststoff-Blende aus dem 3D-Drucker.

Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetzbar, sie wird heute für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Materialanalysen im Labor. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt im Millimeterbereich, sie ist also deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Terahertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

Wie Linsen – nur besser

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert – in sehr einfacher Form – bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Lichtstrahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Randbereich der Linse trifft. Die Lichtwelle in der Mitte wird daher stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Die Blende aus dem 3D-Drucker

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungsmethode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
3D-printed phase waveplates for THz beam shaping, J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter, and A. Pimenov; Appl. Phys. Lett. 112, 221104 (2018); doi: 10.1063/1.5027179

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Der richtige Dreh

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Presseinformation der LMU München vom 28.06.2018

Den Hula-Twist gibt es wirklich: LMU-Chemiker weisen erstmals diese spezielle Rotationsbewegung lichtempfindlicher Moleküle direkt nach. Ihre Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis des Sehprozesses und die Entwicklung neuer molekularer Maschinen.

Lichtempfindliche Moleküle, die bei Beleuchtung ihre Form ändern, bilden die Grundlage für den Sehprozess im Auge. Als Mechanismus für die Formänderung wurde eine komplexe Drehbewegung vorgeschlagen: die Hula-Twist Bindungsrotation, so benannt nach dem Hüftschwung beim hawaiianischen Hula-Tanz. Doch ob diese tatsächlich stattfindet, wird seit 30 Jahren in der Wissenschaft diskutiert. Die Antwort darauf ist auch für zahlreiche Anwendungen wichtig, denn diese Art lichtinduzierter molekularer Bewegung kann bei synthetischen Materialien, Nanosystemen oder molekularen Maschinen eine Rolle spielen. LMU-Chemikern um Dr. Henry Dube ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Die Wissenschaftler haben ein synthetisches Molekül entwickelt, mit dem sie den Hula-Twist erstmals direkt nachgewiesen haben, wie sie im Fachjournal Nature Communications berichten.

„Bisherige Studien brachten unklare und widersprüchliche Ergebnisse, weil in den untersuchten Systemen nach der Lichtanregung immer eine Vielzahl von Prozessen abliefen und damit die eigentliche Photoreaktion nicht klar zu beobachten war“, sagt Dube. Deshalb hat der Chemiker ein spezielles Molekül entwickelt, das nur wenige Prozesse ausführen kann. Da es zudem nach der Photoreaktion keine weiteren Reaktionen eingeht, konnten die Wissenschaftler präzise analysieren, was in der Photoreaktion passiert. Kernpunkt des Moleküls ist eine Kohlenstoffdoppelbindung mit einer benachbarten Einfachbindung. Unter Lichteinfluss kann es auf drei verschiedene Weisen um diese Bindungen drehen und dadurch seine Geometrie verändern: Es kann nur um die Doppelbindung drehen, nur um die Einfachbindung, oder es führt eine kombinierte Drehung um Einfach- und Doppelbindung durch – den Hula-Twist, dessen Existenz die Wissenschaftler nun mithilfe hochauflösender Spektroskopiemethoden erstmals direkt zeigen konnten.

Dabei ist die Photoreaktion stark temperaturabhängig: „Durch Heizen oder Kühlen kann man sehr gut beeinflussen, welche Drehung bevorzugt wird“, sagt Dube. „Das ist für mögliche Anwendungen sehr interessant, weil man so eine gerichtete Bewegung erzeugen kann.“

Für die Zukunft wollen die Wissenschaftler ihr molekulares Setup nutzen, um neue lichtgetriebene molekulare Maschinen zu entwickeln. Im Vergleich zu lichtsteuerbaren Werkzeugen wie „lichtempfindlichen molekularen Pinzetten“, die Dube kürzlich in Nature Communications vorstellte, können molekulare Motoren direktionale Bewegungen ausführen und haben damit mehr Anwendungsmöglichkeiten. Denkbar sind nach Ansicht der Wissenschaftler unter anderem der Molekültransport oder die Bearbeitung bestimmter Materialien auf atomarer und molekularer Ebene.

Publikation:
Nature Communications 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Ohne Fettzelle, mehr Fettzellen

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 20.06.2018

Forschende der ETH Zürich und der EPFL haben einen neuen Fettzelltyp entdeckt, der das Wachstum neuer Fettzellen unterdrückt. Das eröffnet neue Ansatzpunkte, um Folgeerkrankungen von Fettleibigkeit zu verhindern.

Fettleibigkeit ist die Geissel des modernen Menschen. Wer übergewichtig ist, hat ein sehr viel höheres Risiko an Diabetes oder Krebs zu erkranken oder einen Herzinfarkt zu erleiden. Was die Wissenschaft schon lange weiss: Übergewicht ist nicht per se schädlich. So sind viele kleine Fettzellen für einen gesunden Stoffwechsel günstiger als wenige grosse. Weltweit wird daher nach Wegen gesucht, die Bildung neuer Fettzellen anzuregen – bislang aber mit wenig Erfolg.

Forschenden der ETH Zürich ist nun zusammen mit Kollegen der EPFL ein Durchbruch gelungen: Sie haben einen neuen Zelltyp im Fettgewebe von Säugern entdeckt, der die Bildung neuer Fettzellen unterbindet und so vorteilhaftes Fettgewebe verhindert. Über ihren Fund berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von Nature.

Fettzellen regulieren Fettzellwachstum

Wie Fettzellen entstehen, konnte die Forschung bisher noch nicht restlos klären. Man weiss, dass Fettzellen aus Vorläuferzellen entstehen und sich im ausdifferenzierten Zustand wahrscheinlich nicht mehr teilen. «Nach solchen Vorläuferzellen suchten wir im Fettgewebe von Mäusen, als wir auf einen bislang unbekannten Fettzelltyp mit interessanten Eigenschaften stiessen», berichtet Christian Wolfrum, ETH-Professor für translationale Ernährungsbiologie.

Experimente im Mausmodell und mit menschlichem Fettgewebe zeigten, dass es sich um eine Art «regulatorische Fettzelle» handelt, die scheinbar permanent Botenstoffe ins umliegende Gewebe abgibt. «Wir fanden vorerst vier Proteine, die zusammen verhindern, dass sich Vorläuferzellen zu neuen Fettzellen ausbilden», sagt Hua Dong, Doktorandin in Wolfrums Gruppe und eine der Erstautorinnen der Studie.

Fett ist nicht gleich Fett

Der neue Zelltyp, Areg genannt, ist therapeutisch interessant. Legt unser Körper an Gewicht zu, kann das energiespeichernde weisse Fettgewebe auf zwei Arten wachsen: Bei den meisten Fettleibigen vergrössern sich die bestehenden Fettzellen. Irgendwann können sie das viele Fett nicht mehr speichern und geben es in den Blutkreislauf ab. Leber und Muskeln verfetten – das Risiko für Diabetes und andere Folgeerkrankungen steigt. Bei rund 20 Prozent der Übergewichtigen bildet das Fettgewebe jedoch neue Zellen aus. Dank den zusätzlichen «Gefässen» können diese Menschen das überschüssige Fett besser speichern und erkranken deshalb weniger.

Bislang haben sich Fettleibigkeitsforschung und Pharmafirmen vor allem darauf fokussiert, wie man die Vorläuferzellen aktivieren kann, um Fettzellen zu vermehren. «Doch niemand verstand so recht, warum sich selbst in Fettgewebe mit vielen Vorläuferzellen nur selten neue Zellen bilden», so Wolfrum. Die unterdrückenden Aregs liefern nun eine Erklärung dafür.

Die Entdeckung eröffnet vielversprechende Ansatzpunkte für künftige Therapien. So konnten die Forschenden zeigen, dass tatsächlich neue Fettzellen entstehen, wenn man die Aregs aus dem Fettgewebe entfernt. Zudem fanden sie Hinweise darauf, dass diese Fettregulatoren gerade bei übergewichtigen Mäusen mit grossen Fettzellen gehäuft vorkommen.

Mit den jüngsten Resultaten rückt das Fernziel, dicke Menschen mit einer Therapie vor Diabetes und Co. zu schützen, ein kleines Stück näher. Dabei geht es stets um die physiologische Gesundheit – und nicht ums Gewicht. Wer abnehmen wolle, dem helfe nach wie vor nur eins: Weniger Kalorien aufzunehmen als zu verbrauchen.

Literaturhinweis:
Schwalie PC, Dong H, Zachara M, Russeil J, Alpern D, Akchiche N, Caprara C, Sun W, Schlaudraff K-W, Soldati G, Wolfrum C, Deplancke B: A stromal cell population that inhibits adipogenesis in mammalian fat depots. Nature, 20. Juni 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0226-8

Externer Link: www.ethz.ch