Drehung auch bei Kälte

Presseinformation der LMU München vom 22.11.2018

LMU-Chemiker haben den ersten molekularen Motor entwickelt, der nur mit Licht als Antrieb auskommt und temperaturunabhängig betrieben werden kann.

Molekulare Motoren, die durch externe Energiezufuhr hin gezielte Drehbewegungen ausführen, sind eine wichtige Grundlage für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie. Vielversprechende Kandidaten für solche Motoren sind Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Struktur ändern. Allerdings benötigen alle bisherigen lichtgetriebenen molekularen Motoren zusätzliche, durch Wärme angetriebene Reaktionen und sind deshalb von der Umgebungstemperatur abhängig. LMU-Chemiker Henry Dube ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Mit seinem Studenten Aaron Gerwien hat er den ersten molekularen Motor entwickelt, der vollständig lichtgetrieben und damit temperaturunabhängig ist – bei tiefen Temperaturen ist er sogar schneller. Diese einzigartige Eigenschaft könnte die Einsatzmöglichkeiten zukünftiger Nanomaschinen wesentlich erweitern. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Journal of the American Chemical Society.

Grundvoraussetzung für einen funktionierenden molekularen Rotationsmotor ist eine durch Energiezufuhr erzeugte gerichtete Drehbewegung. Dabei führen mehrere Drehschritte zu einer vollständigen 360 Grad Rotation eines bestimmten Molekülteils um einen anderen. Um zu verhindern, dass sich das Molekül wieder zurückdreht, benötigen alle bisher entwickelten molekularen Motoren sogenannte Ratschenschritte: Darunter versteht man Zwischenschritte, die das Molekül nach einem Drehschritt so verändern, dass die Rückreaktion blockiert wird. Diese Ratschenschritte werden normalerweise durch Wärme induziert. Deshalb laufen die Motoren umso langsamer, je tiefer die Umgebungstemperaturen sind und bleiben bei Kälte schließlich stehen.

Der neue Motor basiert wie frühere von Dube entwickelte Motorsysteme auf dem Molekül Hemithioindigo. Dieses Molekül besteht aus zwei unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Hälften, die über eine chemische Doppelbindung miteinander verbunden sind. „Wir haben es nun geschafft, das Molekül so zu modifizieren, dass drei Teilreaktionen ausreichen, um eine vollständige Rotation des einen Molekülteils um den anderen zu erzielen“, sagt Dube. Alle drei Teilschritte der Drehung werden durch sichtbares Licht angetrieben und kommen ohne thermische Ratschen-Zwischenschritte aus. Alle drei Teilreaktionen werden durch Kühlung sogar effizienter, deshalb kann der neue Motor bei tieferen Temperaturen schneller werden anstatt langsamer. „Die Teilschritte bestehen aus drei unterschiedlichen Photoreaktionen, von denen wir zwei erst dieses Jahr zum ersten Mal direkt experimentell bewiesen haben“, erklärt Dube. Das einzigartige Verhalten des Motors und sein neuartiger Mechanismus werden es nach Überzeugung der Wissenschaftler in Zukunft ermöglichen, molekulare Maschinen zu bauen, die wegen ihrer Temperaturunempfindlichkeit neue Einsatzmöglichkeiten eröffnen werden, die mit herkömmlichen molekularen Motoren unmöglich sind.

Publikation:
Journal of the American Chemical Society 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Von der Starterfirma der Saar-Uni zum Wachstumschampion 2019

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 20.11.2018

Die Instillo GmbH, deren Ursprung im Starterzentrum der Universität des Saarlandes liegt, ist eines der wachstumsstärksten Technologieunternehmen Deutschlands: Für ein Umsatzwachstum von 448,91 Prozent im Zeitraum 2014 bis 2017 hat Instillo im November den „Technology Fast 50 Award“ des Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsunternehmens Deloitte erhalten. Außerdem zählt das Unternehmen zu den „Wachstumschampions 2019“. In einem branchenübergreifenden Ranking der 500 am schnellsten wachsenden deutschen Unternehmen, die das Nachrichtenmagazin Focus und das Statistik-Portal Statista ermittelt haben, belegt Instillo Rang 68 – und in ihrer Branche „Chemie und Pharma“ sogar Rang 1. Das Unternehmen geht auf die Starterfirma „MJR PharmJet“ auf dem Unicampus Homburg zurück.

Mit einem neuartigen Verfahren, kleinste Wirkstoff-Transporter für die Arzneimittel- oder Kosmetikbranche herzustellen, gründete Dr. Bernd Baumstümmler 2010 mit zwei Partnern das Unternehmen „MJR PharmJet“ im Starterzentrum auf dem Campus Homburg. Der Wirkstoff-Transport über die körpereigenen Barrieren wie Darm- oder Lungenschleimhaut ist einer der Forschungsschwerpunkte der pharmazeutischen Forschung an der Saar-Universität und am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS).

Mit ihrer patentierten „Mikrojetreaktor-Technologie“ konnten die Gründer Partikel unterschiedlicher Größe bis hin zu Nanopartikeln erzeugen und in ihnen – unverändert und hochdosiert – Wirkstoffe verpacken. Werden sie vom Patienten zum Beispiel inhaliert, überwinden sie als Nano-Transporter die Lungen-Barriere, liefern eine Antibiotika-Ladung am richtigen Wirkort ab und werden dann vom Körper abgebaut. Diesen Wirkstoff-Paketdienst entwickelten die Gründer für Medikamente, er kommt aber auch bei Nahrungsergänzungsmitteln oder Kosmetik zum Einsatz. Das Verfahren nutzen die Pharma- und Kosmetikindustrie etwa, um neue Produkte herzustellen oder zu prüfen.

Die MJR Pharmjet expandierte schnell. Durch Beteiligungen entstand die Instillo Group, deren technologischer Kern noch immer die MJR PharmJet bildet. Am neuen Standort in Überherrn arbeiten derzeit über 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter aus den Disziplinen Chemie, Pharmazie, Biologie, Biotechnologie, aber auch Ingenieure und Betriebswirte.

Neben dem aktuellen „Technology Fast 50 Award“ und der Auszeichnung als Wachstumschampion 2019 zählt Instillo laut dem Wettbewerb TOP 100 außerdem seit Juni dieses Jahres zu den innovativsten Firmen des deutschen Mittelstands.

Insgesamt 389 Firmen sind auf dem Gründer Campus Saar bislang entstanden. Den Start in die Selbstständigkeit unterstützt die Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer (KWT) der Universität des Saarlandes seit über 23 Jahren: In drei Starterzentren können Gründerinnen und Gründer der Universität günstig Geschäftsräume in räumlicher Nähe zu den Uni-Forschern mieten. Alle Gründungsphasen unterstützt die KWT mit einem großen Angebot zum Beispiel mit Seminaren, Workshops oder Coaching-Programmen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

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

Externer Link: www.unibas.ch

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)

Externer Link: www.kit.edu

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

Externer Link: www.uni-muenchen.de