Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Presseaussendung der TU Wien vom 13.07.2020

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn elektronische Bauteile immer kleiner werden sollen, braucht man dafür passende Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte 2D-Materialien als große Hoffnungsträger: Sie sind so dünn wie ein Material überhaupt nur sein kann, im Extremfall bestehen sie nur aus einer einzigen Schicht von Atomen. Das ermöglicht die Herstellung neuartiger elektronischer Bauteile, mit winzigen Abmessungen, hoher Geschwindigkeit und optimaler Effizienz.

Allerdings zeigt sich dabei ein Problem: Elektronische Bauteile bestehen nämlich immer aus mehr als einem Material. 2D-Materialien sind nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn man sie mit passenden Materialsystemen kombinieren kann – etwa mit speziellen isolierenden Kristallen. Wenn man das nicht bedenkt, dann wird der Vorteil zunichtegemacht, den 2D-Materialien eigentlich bieten sollen. Diese Erkenntnisse präsentiert ein Team der Fakultät für Elektrotechnik der TU Wien nun im Fachjournal „Nature Communications“.

Endstation auf atomarer Skala

„Die Halbleiterindustrie verwendet heute Silizium und Siliziumoxid“, sagt Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik. „Das sind Materialien mit sehr guten elektronischen Eigenschaften. Lange Zeit hat man beim Miniaturisieren elektronischer Bauteile einfach immer dünnere Schichten dieser Materialien verwendet. Das ging lange Zeit gut – aber irgendwann stößt man an eine natürliche Grenze.“

Wenn die Silizium-Schicht nur noch wenige Nanometer dünn ist, also nur noch aus wenigen atomaren Lagen besteht, dann verschlechtern sich die elektronischen Eigenschaften des Materials sehr deutlich. „Die Oberfläche eines Materials verhält sich anders als das Innere des Materials – und wenn das gesamte Objekt praktisch nur noch aus Oberflächen besteht und kein Inneres mehr hat, kann es völlig andere Materialeigenschaften haben als man das von dickeren Schichten kennt.“

Daher muss man auf andere Materialien ausweichen, wenn man ultradünne elektronische Bauteile herstellen möchte. Und hier kommen die sogenannten 2D-Materialien ins Spiel: Sie verbinden ausgezeichnete elektronische Eigenschaften mit minimalen Dicken.

Dünne Schichten brauchen dünne Isolatoren

„Wie sich zeigt, sind diese 2D-Materialien aber nur die erste Hälfte der Geschichte“, sagt Tibor Grasser. „Die Materialien müssen auf dem passenden Untergrund angebracht werden, und auch darüber braucht man eine Isolatorschicht – und wenn dieser Isolator nicht ebenfalls extrem dünn und von extrem guter Qualität ist, dann hat man durch die 2D-Materialien nichts gewonnen. Das ist als würde man einen Ferrari auf schlammigem Untergrund fahren und sich wundern, warum man keinen Geschwindigkeitsrekord aufstellt.“

Ein Team an der TU Wien rund um Tibor Grasser und Yury Illarionov hat deshalb analysiert, wie man dieses Problem am besten löst. „Siliziumdioxid, das normalerweise in der Industrie als Isolator eingesetzt wird, eignet sich in diesem Fall nicht“, sagt Tibor Grasser. „Es hat eine sehr ungeordnete Oberfläche und viele freie, nicht gesättigte Bindungen, die die elektronischen Eigenschaften im 2D-Material stören.“

Besser ist es, nach einer möglichst geordneten Struktur Ausschau zu halten: Mit speziellen Kristallen, die Fluor-Atome enthalten, konnte das Team bereits ausgezeichnete Ergebnisse erzielen. Ein Transistor-Prototyp mit einem Kalzium-Fluorid-Isolator lieferte bereits überzeugende Daten, weitere Materialien werden noch analysiert.

„Laufend werden derzeit neue 2D-Materialien entdeckt. Das ist schön, aber mit unseren Ergebnissen wollen wir zeigen, dass das alleine noch nicht reicht“, sagt Tibor Grasser. „Diese neuen elektrisch leitenden 2D-Materialien müssen auch mit neuartigen Isolatoren kombiniert werden. Nur dann können wir es tatsächlich schaffen, eine neue Generation von effizienten und leistungsfähigen elektronischen Bauteilen im Miniaturformat herzustellen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Y. Illiarionov et al., Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge, Nature Communications 11, 3385 (2020).

Externer Link: www.tuwien.at

Licht-Schleife koppelt Quantensysteme über Distanz

Medienmitteilung der Universität Basel vom 07.05.2020

Erstmals konnten Forscher Quantensysteme über eine grössere Distanz stark miteinander koppeln. Dies gelang mit einer neuartigen Methode, bei der eine Laserlicht-Schleife die Systeme verbindet. So können sie nahezu verlustfrei Information austauschen und miteinander wechselwirken. Die neue Methode könnte Anwendungen in Quantennetzwerken und in der Quantensensorik finden, berichten Physiker der Universitäten Basel und Hannover in der Fachzeitschrift «Science».

Die Quantentechnologie gehört derzeit zu den aktivsten Forschungsgebieten weltweit. Sie macht sich besondere Eigenschaften quantenmechanischer Zustände von Atomen, Licht oder Nanostrukturen zunutze, um beispielsweise neuartige Sensoren für Medizin und Navigation, Netzwerke für die Informationsverarbeitung oder leistungsfähigere Simulatoren für die Materialwissenschaften zu entwickeln. Diese Quantenzustände zu erzeugen erfordert meist eine starke Wechselwirkung zwischen den beteiligten Systemen, zum Beispiel zwischen mehreren Atomen oder Nanostrukturen.

Bisher war eine hinreichend starke Wechselwirkung jedoch auf kurze Distanzen beschränkt: Man platzierte dafür zwei Systeme bei tiefen Temperaturen möglichst nahe beieinander auf demselben Chip oder in derselben Vakuumkammer, wo sie durch elektro- oder magnetostatische Kräfte miteinander wechselwirken können. Eine Kopplung über grössere Distanzen ist jedoch Voraussetzung für verschiedene Anwendungen wie Quantennetzwerke oder bestimmte Arten von Sensoren.

Physikern um Prof. Dr. Philipp Treutlein vom Departement Physik der Universität Basel und dem Swiss Nanoscience Institute (SNI) ist es nun erstmalig gelungen, eine starke Kopplung von zwei Systemen über eine grössere Distanz und durch eine Raumtemperatur-Umgebung hindurch zu erzeugen. In ihrem Experiment verwendeten sie Laserlicht, um die Vibrationen einer 100 Nanometer dünnen Membran und die Bewegung des Spins von Atomen über eine Distanz von einem Meter stark aneinander zu koppeln. Dadurch setzt jede Vibration der Membran auch den Spin der Atome in Bewegung und umgekehrt.

Eine Schleife aus Licht wirkt als mechanische Feder

Das Experiment beruht auf einem Konzept, das die Forscher gemeinsam mit dem theoretischen Physiker Prof. Dr. Klemens Hammerer von der Universität Hannover entwickelt haben. Dabei wird ein Laserstrahl mehrmals zwischen den beiden Systemen hin und her geschickt. «Das Licht verhält sich dann wie eine mechanische Feder, die zwischen Atomen und Membran gespannt wird und Kräfte zwischen ihnen vermittelt», so Dr. Thomas Karg, der die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Basel durchgeführt hat. In dieser Schleife aus Laserlicht können die Eigenschaften des Lichts so eingestellt werden, dass keine Information über die Bewegung der beiden Systeme nach draussen gelangt, und somit deren quantenmechanische Wechselwirkung ungestört bleibt.

Die Forscher konnten dieses Konzept nun erstmals im Experiment realisieren und für eine Reihe von Experimenten verwenden. «Die Kopplung von Quantensystemen mit Licht ist sehr flexibel und vielseitig einsetzbar», so Forschungsleiter Treutlein. «Wir können den Lichtstrahl zwischen den Systemen kontrollieren und so unterschiedlichste Wechselwirkungen erzeugen, die beispielsweise für die Quantensensorik von Interesse sind.»

Ein neues Werkzeug für die Quantentechnologie

Neben der Kopplung von Atomen mit nanomechanischen Membranen könnte die neue Methode auch in vielen anderen Systemen Verwendung finden, beispielsweise bei der Kopplung von supraleitenden Quantenbits oder Spinsystemen in Festkörpern, die für das Quantencomputing erforscht werden. Das neue Verfahren zur lichtinduzierten Kopplung könnte solche Systeme zu Quantennetzwerken für die Informationsverarbeitung und Simulation verknüpfen. Treutlein ist überzeugt: «Wir haben hier ein neues und sehr nützliches Werkzeug im Baukasten der Quantentechnologie.»

Die Experimente der Basler Forscher wurden vom Europäischen Forschungsrat im Rahmen des Projekts «MODULAR» sowie von der SNI-Doktorandenschule gefördert.

Originalbeitrag:
Thomas M. Karg, Baptiste Gouraud, Chun Tat Ngai, Gian-Luca Schmid, Klemens Hammerer, and Philipp Treutlein
Light-mediated strong coupling between a mechanical oscillator and atomic spins one meter apart
Science (2020), doi: 10.1126/science.abb0328

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Nanocontainer in den Kern von lebenden Zellen eingeschleust

Medienmitteilung der Universität Basel vom 27.01.2020

Einem interdisziplinären Team der Universität Basel ist es gelungen, künstlichen Nanocontainern einen direkten Weg in den Kern von lebenden Zellen zu bahnen. Sie stellten dafür biokompatible Bläschen her, welche die Poren in der Hülle des Zellkerns passieren können. In Zukunft könnten Wirkstoffe so direkt in die Schaltzentrale von Zellen transportiert werden. Die Forschenden haben diese Ergebnisse in der Zeitschrift «Proceedings of the National Academy of Sciences» veröffentlicht.

Zur Bekämpfung von Krankheiten versuchen verschiedene Therapien in Vorgänge einzugreifen, die sich im Zellkern abspielen. Chemotherapien nehmen etwa biochemische Reaktionen ins Visier, die an der Vermehrung von Krebszellen beteiligt sind, während Gentherapien darauf abzielen, beispielsweise ein erwünschtes Gen in den Kern einzubauen. In der Nanomedizin ist es daher eine grosse Herausforderung, ein verlässliches Verfahren zu entwickeln, mit dem sich Wirkstoffe spezifisch in den Zellkern einschleusen lassen.

Forschende der Universität Basel haben nun winzige Nanocontainer entwickelt, die genau dieses in lebenden Zellen leisten. Sie können die Kernporenkomplexe passieren, die den Transport von Molekülen in den und aus dem Zellkern kontrollieren. An der Entwicklung dieser sogenannten Polymersome waren ein interdisziplinäres Team mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute, des Biozentrums und des Departements Chemie beteiligt.

Eintrittskarte in den Kern

Um die künstlichen Containern durch die Kernporenkomplexe zu führen, verwendeten die Forschenden einen Trick: «Die etwa 60 Nanometer grossen Polymersome sind von einer flexiblen Polymermembran umgeben, die in ihrem Aufbau natürlichen Membranen ähnelt», erklärt die Chemikerin Prof. Dr. Cornelia Palivan. «Sie sind jedoch robuster als Bläschen aus Lipiden und lassen sich je nach Wunsch funktionalisieren.»

Zudem konstruierten die Forschenden die Polymersomen mit daran gebundenen Kernlokalisationssignalen – quasi mit einer Eintrittskarte in den Kern. Zellen nutzen diese Signale, um zwischen Molekülen zu unterscheiden, die in den Kern transportiert werden sollen und denen, die im Kern unerwünscht sind. Durch die Signale werden die künstlichen Nanocontainer als zulässige Fracht getarnt.

An die Natur angelehnt

«Die Kernlokalisationssignale ermöglichen es den Polymersomen, die zelluläre Transportmaschinerie zu kapern, welche die Ladung durch die Poren in den Kern liefert», erklärt Prof. Dr. Roderick Lim. Auch diese Eigenschaft orientiert sich an der Natur: «Diese Strategie wird auch von einige Viren verwendet», so der Biophysiker.

Den Weg der Polymersome in den Zellkern konnten die Forschenden verfolgen, indem sie sie mit zwei verschiedenen Farbstoffen füllten und mithilfe mikroskopischer Techniken untersuchten. Rutheniumrot diente dabei nicht nur als Farbstoff, sondern auch als Fracht der Nanocontainer.

Der erfolgreiche Transport der Polymersomen in den Zellkern konnten in vitro wie auch in vivo mit lebenden Zellkulturen bestätigt werden. Geplant ist, diese Farbstoffe in kommenden Untersuchungen durch therapeutische Wirkstoffe zu ersetzen.

«Die Untersuchungen zeigen, dass die von uns entwickelten Nanocontainer mit Lokalisationssignalen ermöglichen, eine künstliche Fracht ganz spezifisch in den Zellkern zu transportieren. Vesikel ohne Kernlokalisationssignale waren im Zellkern nicht nachzuweisen», fasst Erstautorin Christina Zelmer die Studie zusammen.

Originalbeitrag:
Christina Zelmer, Ludovit P. Zweifel, Larisa E. Kapinos, Ioana Craciun, Zekiye P. Güven, Cornelia G. Palivan and Roderick Y.H. Lim
Organelle-specific targeting of polymersomes into the cell nucleus
PNAS (2020), doi: 10.1073/pnas.1916395117

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Programmierbare Nester für Zellen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.12.2019

Forscherinnen und Forscher des KIT entwickeln neuartige Kompositmaterialien aus DNA, Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren – Eigenschaften lassen sich auf verschiedene Anwendungen abstimmen

Aus der Erbsubstanz DNA, kleinsten Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) neue programmierbare Materialien entwickelt. Diese Nanokompositmaterialien lassen sich für verschiedene Anwendungen maßschneidern und so programmieren, dass sie schnell und schonend abgebaut werden können. Für medizinische Anwendungen können sie Umgebungen schaffen, in denen sich menschliche Stammzellen einnisten und weiterentwickeln können. Sie eignen sich aber auch für den Aufbau von Biohybridsystemen, beispielsweise zur Stromgewinnung. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Communications und auf der Plattform bioRxiv vor.

Das Kultivieren von Stammzellen dient der Grundlagenforschung wie auch der Entwicklung wirksamer Therapien gegen schwere Erkrankungen, beispielsweise um geschädigtes Gewebe zu ersetzen. Allerdings können sich Stammzellen nur in einer geeigneten Umgebung zu gesundem Gewebe entwickeln. Besonders zum Aufbau dreidimensionaler Gewebestrukturen bedarf es Materialien, welche die Zellfunktionen durch eine perfekte Elastizität unterstützen. Neue programmierbare Materialien, die sich als Substrate für biomedizinische Anwendungen eignen, hat nun die Forschungsgruppe um Professor Christof M. Niemeyer am Institut für Biologische Grenzflächen 1 – Biomolekulare Mikro- und Nanostrukturen (IBG 1) des KIT gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, vom Zoologischen Institut und vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT entwickelt. Mit diesen Materialien lassen sich unter anderem Umgebungen schaffen, in denen sich menschliche Stammzellen einnisten und weiterentwickeln können.

Wie die Forscherinnen und Forscher in der Zeitschrift Nature Communications berichten, bestehen die neuen Materialien aus der Erbsubstanz DNA sowie kleinsten Silica-Partikeln und Kohlenstoff-Nanoröhren. „Diese Kompositmaterialien werden durch eine biochemische Reaktion aufgebaut und lassen sich über die Mengen der Einzelbestandteile in ihren Eigenschaften präzise einstellen“, erklärt Christof M. Niemeyer. Darüber hinaus lassen sich die Nanokompositmaterialien so programmieren, dass sie schnell und schonend abgebaut werden können und die darin gewachsenen Zellhaufen freisetzen. Diese lassen sich dann für weitere Experimente nutzen.

Neue Materialien für Biohybridsysteme

Wie das Team des IBG 1 des KIT in einer weiteren Publikation auf der Biowissenschafts-Plattform bioRxiv berichtet, lassen sich die neuen Nanokompositmaterialien auch für den Aufbau programmierbarer Biohybridsysteme verwenden. „Der Einsatz von lebenden Mikroorganismen, die in elektrochemische Geräte integriert sind, ist ein expandierendes Forschungsgebiet“, erläutert Professor Johannes Gescher vom Institut für Angewandte Biowissenschaften (IAB) des KIT, der an dieser Studie beteiligt war. „So lassen sich beispielsweise mikrobielle Brennstoffzellen, mikrobielle Biosensoren oder mikrobielle Bioreaktoren herstellen.“ Das von den Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aufgebaute Biohybridsystem enthält das Bakterium Shewanella oneidensis. Dieses ist exoelektrogen, das heißt, es produziert beim Abbau organischer Substanz unter Sauerstoffmangel einen elektrischen Strom. Wird Shewanella oneidensis in den am KIT entwickelten Nanokompositmaterialien kultiviert, bevölkert es die Matrix des Verbunds. Das nicht exoelektrogene Bakterium Escherichia coli dagegen bleibt auf seiner Oberfläche. Der Shewanella-haltige Verbundstoff hält sich mehrere Tage stabil. In zukünftigen Arbeiten wird die Forschungsgruppe weitere biotechnologische Anwendungen der neuen Materialien erschließen. (or)

Originalpublikationen:

Yong Hu, Carmen M. Domínguez, Jens Bauer, Simone Weigel, Alessa Schipperges, Claude Oelschlaeger, Norbert Willenbacher, Stephan Keppler, Martin Bastmeyer, Stefan Heißler, Christof Wöll, Tim Scharnweber, Kersten S. Rabe & Christof M. Niemeyer: Carbon-nanotube reinforcement of DNA-silica nanocomposites yields programmable and cell-instructive biocoatings. Nature Communications, 2019. DOI: 10.1038/s41467-019-13381-1 (Open Access)

Yong Hu, David Rehnlund, Edina Klein, Johannes Gescher & Christof M. Niemeyer: Cultivation of Exoelectrogenic Bacteria in Conductive DNA Nanocomposite Hydrogels Yields a Programmable Biohybrid Materials System. bioRxiv, 2019. DOI: 10.1101/864967 (Open Access)

Externer Link: www.kit.edu

Bessere Wärmeleitfähigkeit durch geänderte Atomanordnung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 19.07.2019

Die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien ist eine aktuelle Herausforderung in den Nanowissenschaften. Forschende der Universität Basel haben mit Kolleginnen und Kollegen aus den Niederlanden und Spanien gezeigt, dass sich allein durch die Anordnung von Atomen in Nanodrähten atomare Vibrationen steuern lassen, welche die Wärmeleitfähigkeit bestimmen. Die Wissenschaftler veröffentlichten die Ergebnisse kürzlich im Fachblatt «Nano Letters».

In der Elektronik- und Computerindustrie werden die Komponenten immer kleiner und leistungsfähiger. Problematisch ist dabei die Wärmeentwicklung, die durch mechanische Wellen zustande kommt. Daher ist es wichtig, diese Wellen – sogenannte Phononen – genau zu untersuchen und ihr Verhalten im Material zu verstehen. Die Forschung geht heute sogar noch einen Schritt weiter und entwirft ganz gezielt Materialien, mit denen sich die Ausbreitung der Phononen steuern lässt. Zum einen, um Materialien herzustellen, die Wärme sehr schnell abgeben und sich daher nur wenig aufheizen. Zum anderen, um Wärmeunterschiede möglichst lange aufrecht zu halten und zur Stromerzeugung zu nutzen.

Verbesserte Ausbreitung durch Drehung

Die Gruppe von Prof. Dr. Ilaria Zardo vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel untersucht Materialien, die massgeschneiderte Eigenschaften in der Aussendung und Verbreitung von Phononen haben. Im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit unter der Leitung von Zardo konnten die Nanowissenschaftler nun erstmals zeigen, dass allein die Anordnung der Atome einen Einfluss auf die Phononen und somit auf die Wärmeleitfähigkeit hat.

Die Forschenden haben dazu Galliumphosphid-Nanodrähte hergestellt, bei denen aufeinanderfolgende Kristalllagen gegeneinander periodisch um 60 Grad verdreht sind. Es bildet sich durch diese Anordnung eine Überstruktur, in der sich Phononen kohärent ausbreiten – die Wärme also sehr effektiv leiten.

Grenzflächen ohne Fehler

Bisher wurden derartige Überstrukturen aus periodisch angeordneten Lagen unterschiedlicher Materialien hergestellt. Die Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien sind jedoch oft nicht klar definiert, und es treten Fehler auf, welche die Ausbreitung der Phononen und damit die Wärmeleitfähigkeit massiv reduzieren.

Bei den vorliegenden Untersuchungen wiesen die Forschenden nach, dass derartige Störeffekte nicht auftreten, wenn das Material der Lagen identisch ist, sich jedoch durch die Anordnung der Atome unterscheidet. Und obwohl die Lagen aus demselben Material bestehen, verändern sich allein durch Drehung der Lagen gegeneinander die phononischen Eigenschaften. Bislang stand es noch zur Debatte, ob sich diese neuartigen Systeme wie herkömmliche Übergitter verhalten.

Die Studie ist in Zusammenarbeit des Departements Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts (SNI) mit der Technischen Universität Eindhoven, der Universitat Autònoma de Barcelona und dem Institut de Ciència de Materials de Barcelona entstanden.

Originalbeitrag:
Marta De Luca, Claudia Fasolato, Marcel A. Verheijen, Yizhen Ren, Milo Y. Swinkels, Sebastian Kölling, Erik, P. A. M. Bakkers, Riccardo Rurali, Xavier Cartoixà, Ilaria Zardo
Phonon Engineering in Twinning Superlattice Nanowires
Nano Letters (2019), doi: 10.1021/acs.nanolett.9b01775

Externer Link: www.unibas.ch