Elektronensysteme: Präzise Untersuchung einzelner Randkanäle

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.09.2018

Mit einer neuen Methode lässt sich erstmals ein individueller Fingerabdruck von stromleitenden Randkanälen erstellen, wie sie in neuartigen Materialien wie zum Beispiel topologischen Isolatoren vorkommen. Physiker der Universität Basel stellen das Verfahren zusammen mit amerikanischen Wissenschaftlern in «Nature Communications» vor.

Während Isolatoren keinen elektrischen Strom leiten, gibt es einige Materialien, die über besondere elektrische Eigenschaften verfügen: sie können zwar nicht in ihrem Innern, aber aufgrund von Quanteneffekten an ihrer Oberfläche und an ihren Rändern elektrische Ströme übermitteln, und dies sogar verlustfrei.

Diese sogenannten topologischen Isolatoren stehen seit einigen Jahren im Fokus der Festkörperforschung, da ihre besonderen Eigenschaften technologische Innovationen versprechen – beispielsweise für elektronische Bauelemente.

Stromfluss nur am Rand

Ähnliche Effekte wie die Randströme in den topologischen Isolatoren zeigen sich auch, wenn ein zweidimensionales Metall bei tiefen Temperaturen einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird. Tritt der sogenannte Quanten-Hall-Effekt ein, fliesst Strom nur noch an den Grenzflächen. Dabei bilden sich mehrere stromleitende Bereiche.

Individuelle Untersuchung möglich

Bisher war es nicht möglich, diese leitenden Bereiche individuell zu untersuchen beziehungsweise die Position eines einzelnen Randzustands zu messen. Ein neues Verfahren erlaubt nun erstmals, einen exakten Fingerabdruck der leitenden Bereiche mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu erstellen.

Dies berichten Forscher des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel zusammen mit Kollegen der University of California Los Angeles sowie der Universitäten Harvard und Princeton (USA).

Zur Messungen der leitenden Bereiche haben sich die Physiker um Professor Dominik Zumbühl von der Universität Basel die Tunnelspektroskopie zunutze gemacht.

Sie verwenden einen Nanodraht aus Galliumarsenid, der sich auf dem Rand der Probe befindet und parallel zu den Randkanälen verläuft. Elektronen können nun zwischen dem Nanodraht und spezifischen Randzuständen hin und her hüpfen (tunneln), falls die Impulse in beiden Systemen übereinstimmen. Mithilfe eines zweiten Magnetfeldes kontrollieren die Wissenschaftler den Impuls der tunnelnden Elektronen, wodurch sie einzelne Randzustände individuell ansteuern können. Aus den gemessenen Tunnelströmen lassen sich die Position und der Verlauf jedes Randzustands mit einer Präzision im Nanometerbereich berechnen.

Mehr als eine Momentaufnahme

Wird bei Quanten-Hall-Systemen die Stärke des angelegten Magnetfeldes erhöht, ändert sich die Verteilung der Randzustände und ihre Anzahl sinkt. Mit der neuen Methode konnten die Wissenschaftler erstmals den gesamten Verlauf der Randzustände inklusive ihrer Entstehung bei kleinen Magnetfeldern beobachten.

Mit zunehmender Magnetfeldstärke werden die Randzustände zunächst gegen den Materialrand gedrückt und wandern schliesslich in die Mitte der Probe, wo sie vollständig verschwinden. Analytische und numerische Modelle, die das Forscherteam erstellt hat, stimmten sehr gut mit den experimentellen Daten überein.

«Wir können diese neue Technik nicht nur zur Untersuchung des Quanten-Hall-Effektes einsetzen», kommentiert Dominik Zumbühl die Ergebnisse der internationalen Zusammenarbeit. «Auch bei der Untersuchung exotischer neuer Materialien wie beispielsweise topologischen Isolatoren, Graphen oder anderer 2D-Materialien erhoffen wir bahnbrechende Erkenntnisse durch Anwendung der neuen Methode.»

Originalpublikation:
T. Patlatiuk, C. P. Scheller, D. Hill, Y. Tserkovnyak, G. Barak, A. Yacoby, L. N. Pfeiffer, K.W. West, and D. M. Zumbühl
Evolution of the quantum Hall bulk spectrum into chiral edge states
Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-06025-3

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Hightech-Zahnersatz: Mit Nanotechnik gegen Bakterien

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)

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Der richtige Dreh

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

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Live-Verfolgung in der Zelle: Biologische Fussfessel für Proteine

Medienmitteilung der Universität Basel vom 18.06.2018

Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Wege von Proteinen in die Zelle hinein verfolgen lassen. Dabei werden Proteine mit kleinsten Nanosensoren, sogenannten Nanobodies, markiert. Mit dieser Fussfessel lässt sich ihr Weg durch die Zelle live verfolgen. Die Methode, die sich für vielseitigste Forschungszwecke eignet, ist jetzt im Fachjournal «PNAS» beschrieben.

Membranproteine sind die Grundbausteine jeder einzelnen Zelle des menschlichen Körpers und für die wichtigsten Funktionen wie Aufbau, Stoffwechsel und Transport verantwortlich. Sie sorgen dafür, dass eine Vielzahl von Stoffen wie Hormone oder andere Proteine von der Zelloberfläche ins Innere der Zelle transportiert oder aus der Zelle wieder hinausbefördert werden.

Die Verteilung von Proteinen in der Zelle lässt sich relativ einfach bestimmen. Die Wege nachzuverfolgen, welche Proteine innerhalb der Zelle nehmen, und festzustellen, wo sie ihren Bestimmungsort haben, ist erheblich schwieriger. Das neu entwickelte Nanobody-Tool der Forschungsgruppe Spiess vom Biozentrum der Universität Basel ermöglicht es nun, Proteine auf ihrem Weg in die Zelle und wieder zurück zur Oberfläche zu beobachten. Zudem lässt sich die quantitative Methode zukünftig zur Aufklärung der molekularen Transportmechanismen im Inneren der Zelle einsetzen.

Mini-Antikörper als Nanosensor

Für die Methode verwendeten die Forscher sogenannte Nanobodies, kleinste Antikörperfragmente. Diese bestehen lediglich aus einer einzigen Proteinkette und haben somit den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu Antikörpern, die aus insgesamt vier Proteinen bestehen, nur ein Zehntel so gross, sehr kompakt und stabil sind. «Ursprünglich wurden Nanobodies aus Kamelen und Lamas gewonnen. Wir haben die Nanobodies so verändert, dass wir sie mit Hilfe von Bakterien herstellen und als Nanosensoren einsetzen können», so Professor Martin Spiess.

Nanofussfessel ermöglicht live-Verfolgung

Die Nanobodies werden genetisch so verändert, dass sie fluoreszieren. «Anschliessend heften wir sie wie eine Fussfessel an die gewünschten Proteine. Dort bleiben sie haften, welchen Weg auch immer das Protein in der Zelle nimmt», erklärt Dominik Buser, Erstautor der Studie. Die Aufnahme und Verteilung der Oberflächenproteine lassen sich dann in der lebenden Zelle mikroskopisch beobachten.

«Der Nanosensor mit seiner fluoreszierenden Farbe zeigt uns die Bewegungen genau an. Dadurch können wir die natürlichen Transportwege der Proteine in der Zelle live nachverfolgen ebenso wie die Geschwindigkeit, mit der Proteine innerhalb der Zelle befördert werden.» Zudem konnten die Forschenden die Nanobodies so verändern, dass sich die Proteine elektronenmikroskopisch mit höchster Auflösung in der Zelle lokalisieren lassen.

Zukünftig möchte das Forschungsteam mit der neuen Methode die Transportwege verschiedener Proteine genauer untersuchen.

Originalbeitrag:
Dominik Buser, Kai Schleicher, Cristina Prescianotto-Baschong, Martin Spiess
Versatile nanobody-based toolkit to analyze retrograde transport from the cell surface
PNAS (2018), doi: 10.1073/pnas.1801865115

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Komplexe Parkettmuster – erstaunliche Materialien

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.01.2018

Einfache organische Moleküle bilden komplexe Materialien durch Selbstorganisation – Veröffentlichung in Nature Chemistry

Parkett kennt man aus dem Wohnzimmer. Aber auch Materialien können eine mikrostrukturierte Parkettierung aufweisen. Diese können etwa für außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit sorgen. Solche Strukturen gezielt zu erzeugen, bedarf großer molekularer Bausteine, die meist nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind. Im Fachmagazin Nature Chemistry erklären Forscher des KIT und der TUM nun, wie Moleküle selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Das Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen Reaktionsweg entdeckt, der aus einfachen zweidimensionalen Netzwerken exotische Schichten mit halbregulärer Struktur erzeugt. Solche Materialien sind interessant, weil sie häufig außerordentliche Eigenschaften besitzen. Bei dem Verfahren verbinden sich einfachere organische Moleküle zu größeren Bausteinen, die komplexe, halbreguläre Muster erzeugen.

Um eine Fläche mit gleichförmigen Kacheln lückenlos zu pflastern, kommen nur wenige geometrische Grundformen in Frage: Dreiecke, Vierecke und Sechsecke. Mit zwei oder mehr Kachelformen lassen sich wesentlich mehr und deutlich komplexere Muster erzeugen, die immer noch regelmäßig sind, die sogenannten Archimedischen Parkettierungen.

Auch Materialien können eine solche Parkettierung aufweisen und weisen dann häufig ganz besondere und erstrebenswerte Eigenschaften auf, zum Beispiel außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit. Doch es ist schwierig, solche Strukturen gezielt zu erzeugen. Dafür sind große molekulare Bausteine nötig, die nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind.

Komplexes Parkettmuster durch Selbstorganisation

Bei einer Klasse supramolekularer Netzwerke ist nun einem internationalen Team um die Professoren Florian Klappenberger und Johannes Barth vom Lehrstuhl für Experimentalphysik an der TUM sowie Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie ein Durchbruch gelungen: Sie brachten organische Moleküle dazu, sich zu größeren Bausteinen zu verbinden, die selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Als Ausgangsverbindung nutzten sie Ethynyl-Iodophenanthren, ein handliches organisches Molekül aus drei aneinandergekoppelten Kohlenstoffringen, das ein Iod- und ein Alkin-Ende besitzt. Auf einem Silbersubstrat bildet dieses Molekül zunächst ein regelmäßiges Netz mit großen sechseckigen Maschen. Eine Wärmebehandlung setzt dann eine Abfolge chemischer Prozesse in Gang, die einen neuartigen, deutlich größeren Baustein erzeugen, der dann quasi automatisch und selbstorganisiert eine komplexe Schicht mit kleinen sechs-, vier- und dreieckigen Poren bildet. Dieses Muster wird in der Sprache der Geometrie als semireguläre 3.4.6.4 Parkettierung bezeichnet.

Die Arbeitsgruppe von Mario Ruben am Institut für Nanotechnologie des KIT war im Projekt für die maßgeschneiderte, zielgerichtete Synthese und Charakterisierung von mehrkernigen Molekülkomplexen verantwortlich, die als Bausteine des Parketts dienen. „Wir haben einen völlig neuen Weg entdeckt, um komplexe Materialien aus einfachen organischen Bausteinen herzustellen“, fassen Klappenberger und Ruben zusammen. „Das ist wichtig, um Materialien mit neuen und extremen Eigenschaften gezielt synthetisieren zu können. Außerdem tragen diese Ergebnisse dazu bei, ein spontanes Auftauchen – der Emergenz – von Komplexität in chemischen und biologischen Systemen besser zu verstehen.“

Die an der TUM durchgeführten Rastertunnelmikroskopie-Messungen zeigen deutlich, dass am Molekülumbau viele Reaktionen beteiligt sind, was normalerweise zu zahlreichen Abfallprodukten führt. Im neuen Prozess werden Abfallprodukte wiederverwendet, so dass der Gesamtprozess in einer hohen Atomökonomie zum gewünschten Endprodukt führt. Wie es dazu kommt, fanden die Forscher durch weitere Experimente heraus.

Mit Hilfe röntgenspektroskopischer Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin konnte entschlüsselt werden, wie sich Iod vom Ausgangsstoff abspaltet, Wasserstoffatome zu neuen Plätzen wandern und die Alkin-Gruppen ein Silber-Atom einfangen. Mit Hilfe des Silber-Atoms binden sich in der Folge zwei Ausgangsbausteine zu einem neuen, größeren Baustein aneinander. Die neuen Bausteine bilden anschließend die beobachtete komplexe Porenstruktur.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics sowie des Schwerpunktprogramms SPP 1459, des Transregio TRR 88 3Met C5 und des DFG Projekts KL 2294/3) und des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt). Die Synthese und Charakterisierung der Moleküle wurden in der Karlsruhe Nano Micro Facility durchgeführt. (aba/kes)

Publikation:
Yi-Qi Zhang, Mateusz Paszkiewicz, Ping Du, Liding Zhang, Tao Lin, Zhi Chen, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben, Ari P. Seitsonen, Johannes V. Barth, and Florian Klappenberger: Complex supramolecular interfacial tessellation through convergent multistep reaction of a dissymmetric simple organic precursor, Nature Chemistry 2017. DOI: 10.1038/nchem.2924

Externer Link: www.kit.edu