Presseaussendung der TU Wien vom 15.11.2016

Scharfe Metallspitzen verwendet man, um Elektronen gezielt in eine Richtung zu senden. Ein Quanten-Effekt liefert nun eine neue Methode, die Elektronen-Emission extrem genau zu kontrollieren.

Wenn man Elektronen präzise kontrollieren will, dann lässt man sie aus feinen Metallspitzen austreten – so macht man das etwa in einem Elektronenmikroskop. Seit Kurzem werden solche Metallspitzen auch als hochpräzise Elektronenquellen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Ein Team der TU Wien entwickelte nun gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Deutschland (FAU Erlangen-Nürnberg) eine Methode, diese Elektronenemission mit Hilfe zweier Laserpulse viel genauer zu steuern als bisher. Damit wird es jetzt möglich, den Fluss der Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen ein- und auszuschalten.

Nur die Spitze zählt

„Die Grundidee ist ähnlich wie beim Blitzableiter“, erklärt Prof. Christoph Lemell vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das elektrische Feld rund um eine Nadel ist immer genau an der Spitze am größten. Daher schlägt der Blitz in die Spitze des Blitzableiters ein, und aus demselben Grund verlassen Elektronen die Nadel genau an der Spitze.“

Mit modernen Methoden der Nanotechnologie kann man heute extrem feine Nadeln herstellen, ihre Spitze hat eine Ausdehnung von wenigen Nanometern. Man weiß also sehr genau, an welcher Stelle die Elektronen das Metall verlassen. Wichtig ist es zusätzlich nun aber auch, eine genaue Kontrolle darüber zu haben, ob und zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Elektronen aus der Metallspitze austreten.

Genau das wird nun mit einer neuen Technik möglich: „Man beschießt die Metallspitze mit zwei verschiedenen Laserpulsen“, erklärt Florian Libisch (TU Wien). Die Farben dieser Laser wählt man so, dass die Lichtteilchen des einen Lasers genau doppelt so viel Energie haben wie die Lichtteilchen des anderen Lasers. Wichtig ist außerdem, dass die Lichtwellen der beiden Laser perfekt im gleichen Takt schwingen.

Das Team von der TU Wien konnte aufgrund von Computersimulationen vorhersagen, dass sich die zeitliche Verzögerung eines der beiden Pulse als „Schalter“ für die Elektronenemission verwenden lässt. Diese Vorhersage wurde nun von der Forschungsgruppe von Prof. Peter Hommelhoff von der FAU Erlangen-Nürnberg experimentell bestätigt. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte auch der detaillierte Prozessablauf erklärt werden.

Elektronen, die Lichtteilchen absorbieren

Schießt man Laserpulse auf die Metallspitze kann das elektrische Feld des Lasers Elektronen aus dem Metall reißen – das war bereits bekannt. Neu ist allerdings, dass es durch die Kombination von zwei verschiedenen Lasern eine Möglichkeit gibt, die Emission der Elektronen auf wenige Femtosekunden genau zu kontrollieren.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Elektron ausreichend viel Energie bekommen kann, um die Nadelspitze zu verlassen: Beispielsweise kann das Elektron entweder ein Lichtteilchen des Lasers mit höherer Energie und zwei Lichtteilchen mit niedrigerer Energie absorbieren oder aber vier Lichtteilchen des niederenergetischen Laserpulses. Beides führt zum selben Ergebnis. „So wie ein Teilchen im Doppelspaltexperiment, das sich auf zwei Pfaden gleichzeitig bewegt, kann ein Elektron auch hier zwei verschiedene Wege gleichzeitig beschreiten“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer (TU Wien). „Die Natur legt sich nicht fest, welchen Weg das Elektron nimmt – beide Möglichkeiten finden gleichzeitig statt und überlagern einander.“

Durch präzise Kontrolle der beiden Laser kann man nun einstellen, ob sich diese beiden Quanten-Möglichkeiten gegenseitig verstärken – dann kommt es zu einer erhöhten Emission von Elektronen – oder ob sie einander stattdessen auslöschen sollen, sodass praktisch überhaupt keine Elektronen ausgesandt werden. So kann man einfach und effektiv die Elektronen-Emission kontrollieren.

Das ist nicht nur eine ganz neue Methode, mit der man nun wichtige Experimente mit energiereichen Elektronen durchführen kann, die neue Technik soll in Zukunft auch eine sehr präzise Steuerung von Röntgenstrahlen ermöglichen: „Es wird bereits an innovativen Röntgen-Quellen gearbeitet, die Arrays aus feinen Nano-Spitzen als Elektronenquelle verwenden“, erklärt Lemell. „Mit unserer neuen Methode könnte man diese Nano-Spitzen genau richtig ansteuern, um kohärente Röntgenstrahlung zu erzeugen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Phys. Rev. Lett. 117, 217601 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.217601

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.11.2016

Forschern der Universität Basel ist es gelungen, sphärische Kompartimente in Cluster zu gliedern. Dabei diente die Bildung komplexer Strukturen durch Organelle als Vorbild. Als Bindeglied zwischen den synthetischen Kompartimenten dienten DNA-Brücken. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Verwirklichung sogenannter molekularer Fabriken. Die Zeitschrift Nano Letters hat die Ergebnisse der Forscher veröffentlicht.

Innerhalb der Zelle existieren spezielle Kompartimente, die als Organelle bezeichnet werden, beispielsweise der Zellkern, die Mitochondrien, Peroxisomen und Vakuolen. Diese sind jeweils für bestimmte Zellfunktionen zuständig. Nahezu alle ausgeklügelten biologischen Zellfunktionen werden mittels Selbstorganisation realisiert. Dabei ordnen sich Moleküle ohne Anleitung von aussen auf eine bestimmte Art und Weise an, die auf ihren jeweiligen Konformationen und Eigenschaften basiert.

Die Nutzung der Selbstorganisation von Nano-Objekten zu komplexen Strukturen ist eine wesentliche Strategie, um neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften oder Funktionen in Bereichen wie Chemie, Elektronik und Technik herzustellen. So wurde diese Strategie beispielsweise bereits eingesetzt, um Geflechte aus anorganischen Feststoff-Nanopartikeln zu erzeugen. Bisher konnten diese Geflechte jedoch nicht ausgereifte Strukturen imitieren, die innerhalb der Zellen biologische Funktionen haben und somit für einen Einsatz in Medizin oder Biologie in Betracht kommen.

DNA-Brücken verleihen Stabilität

Die gemeinsame Arbeit der Forschergruppen unter der Leitung von Professorin Cornelia Palivan und Professor Wolfgang Meier bietet nun einen neuen Ansatz für die Selbstorganisation von künstlichen Organellen zu Clustern, der die Verbindung zwischen ihren natürlichen Gegenstücken imitiert. Durch die Nutzung einzelner DNA-Stränge zur Verbindung der sphärischen Kompartimente gelang es den Forschern, Cluster gemäss einer spezifischen Architektur und mit kontrollierten Eigenschaften zu erzeugen. «Wir haben gespannt beobachtet, dass die einzelnen DNA-Stränge an der Oberfläche der sphärischen Kompartimente sich zusammengeschlossen und eine Brücke mit den DNA-Strängen des nächsten Kompartiments gebildet haben», so Palivan. Bei dieser DNA-Brücke handelt es sich um eine äusserst stabile Verbindung.

Diese von der Natur inspirierte Strategie geht über die eigentlichen Ansätze der Selbstorganisation hinaus, da sie zudem die Integration von verschiedenen Anforderungen ermöglicht, beispielsweise die Feinabstimmung des Abstands zwischen den einzelnen Kompartimenten oder verschiedene räumliche Strukturen «on demand». Als Kompartimente nutzten die Forscher Polymersomen mit einer synthetischen Membran, die im Gegensatz zu Liposomen den grossen Vorteil bietet, dass sie äusserst stabil ist und die Verschmelzung einzelner Kompartimente innerhalb der Zelle kontrolliert.

Ein weiterer einzigartiger Vorteil dieser Strategie zur Bildung von Nanoclustern ist die Tatsache, dass die Kompartimente mit Reaktionspartnern wie Enzymen, Proteinen oder Katalysatoren bestückt werden können. Dies liefert die Grundlage für die künftige Entwicklung künstlicher Organelle, die als molekulare Fabriken dienen. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Molecular Systems Engineering durchgeführt.

Originalartikel:
Juan Liu, Viktoriia Postupalenko, Samuel Lörcher, Dalin Wu, Mohamed Chami, Wolfgang Meier, Cornelia G. Palivan
DNA-mediated self-organization of polymeric nanocompartments leads to interconnected artificial organelles
Nano Letters (2016), doi: 10.1021/nanolett.6b03430

Externer Link: www.unibas.ch

Presseinformation der LMU München vom 21.10.2016

Physiker der LMU haben eine neuartige Methode entwickelt, mit der sich Biomoleküle einfach und effizient auf ihre mechanischen Eigenschaften untersuchen lassen.

Für Biologen zählen zu den wichtigsten Fragen, wie Proteine und Gene in menschlichen Zellen arbeiten, wie sie ihre Aufgaben erledigen und mit etwaigen Störungen umgehen. Von großer Bedeutung ist dabei, wie die Biomoleküle auf winzigste Krafteinwirkungen reagieren. LMU-Physiker um Professor Tim Liedl haben zusammen mit Wissenschaftlern der TU Braunschweig und der Universität Regensburg nun eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe man gezielt konstante Kräfte auf ein einzelnes, nur wenige Nanometer großes Molekül ausüben und gleichzeitig dessen Reaktion auf die angelegte Kraft beobachten kann. So lässt sich testen, ob ein Protein oder Gen seine Aufgabe noch richtig ausführt, wenn kleinste Kräfte im Inneren einer Zelle an der Struktur zerren. Für die Untersuchung mit der neuen Kraftspektroskopie-Methode, die nanoskopische Kraftmesser einsetzt, benötigt man keine makroskopischen Werkzeuge und kann zudem eine große Zahl Moleküle parallel untersuchen, ein enormer Zeitgewinn.

Mit dem neuen Ansatz umgehen die Forscher zwei fundamentale Einschränkungen bisheriger Methoden in der Kraftspektroskopie. Sowohl beim Rasterkraftmikroskop wie auch bei den sogenannten optischen und magnetischen Pinzetten haben die untersuchten Moleküle immer eine direkte Verbindung zur makroskopischen Welt. Im Grunde muss man dabei jeweils die Position eines mindestens Mikrometer großen Objekts (Kugel oder Metallspitze) genau kontrollieren und übt dann Kräfte auf Moleküle aus, die an diesem Objekt verankert sind. Das ist technisch extrem aufwändig und verursacht zudem oft fehlerbehaftete Signale. Zudem lässt sich damit immer nur ein Molekül nach dem anderen untersuchen. Von diesen Zwängen ist die neue Methode befreit. „Unsere Strukturen arbeiten völlig autonom“, erklärt Philipp Nickels aus der Forschergruppe von Tim Liedl. „Und wir können damit unzählige Moleküle gleichzeitig untersuchen.“

Als würde man eine Feder leicht spannen

Die Münchner Forscher, die auch dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) angehören, basteln mithilfe der DNA-Origami-Technik zunächst aus vielen künstlichen DNA-Strängen gezielt nanometergroße, molekulare Klammern, die so konstruiert sind, dass sie selbständig Kräfte ausüben können. In ihre speziell designten DNA-Klammern spannen sie einen in der Mitte mit einer speziellen Sequenz ausgestatteten Einzelstrang ein, an den wiederum das zu untersuchende Molekül anbindet. Kraft können sie ausüben, indem sie den in der Klammer befestigten Einzelstrang gezielt um einzelne Basen verkürzen. „Das ist, als würde man eine Feder leicht spannen“, sagt Nickels. Damit lassen sich gezielt unvorstellbar kleine Kräfte zwischen 0 und 15 Pico-Newton ausüben, das sind Billionstel Newton. Für die Physiker ist es ein ideales Untersuchungsinstrument, denn im Zellinneren wirken genau Kräfte in dieser Größenordnung auf die Proteine oder Gene ein. „Wir können im Prinzip jedes Biomolekül einspannen und dessen mechanischen Eigenschaften untersuchen“, sagt Gruppenleiter Tim Liedl.

Die Messdaten lesen die Forscher sehr elegant über den Energieaustausch zweier eingebauter Fluoreszenzfarbstoffe aus. „Wenn sich beispielsweise aufgrund der angelegten Kräfte die Struktur des untersuchten Moleküls ändert, ändert sich auch der Abstand der Farbstoffe,“ erklärt Professor Philip Tinnefeld, TU Braunschweig. Da nun beim sogenannten FRET (Förster-Resonanz-Energie-Transfer) die übertragene Energie sehr stark vom Abstand der Farbstoffe abhängig ist, kann das System wie ein Lineal auf der Nanometerskala winzigste Verschiebungen im Molekül erkennen.

In Zusammenarbeit mit Professor Dina Grohmann, Universität Regensburg, demonstrierte das Team um Liedl die Möglichkeiten der neuen Kraftspektroskopie-Methode am Beispiel des sogenannten TATA-Binding-Proteins, eines wichtigen Faktors in der Genregulation. Die Forscher fanden heraus, dass dieses Protein nicht mehr effizient arbeiten kann, wenn die Zielsequenz mit mehr als sechs Pico-Newton gespannt wird. Noch steht die neue Technologie am Anfang. Da die DNA-Klammern winzig sind und autonom arbeiten können, wäre es in Zukunft sogar denkbar, sie auch in einer lebenden Zelle einzusetzen und dort die molekularen Vorgänge live zu untersuchen.

Publikation:
Science 2016

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.10.2016

Mit einem neu entwickelten Rasterkraftmikroskop können Nanodrähte als winzige Sensoren eingesetzt werden – womit sich im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten sowohl Grösse als auch Richtung von Kräften messen lassen. Dies berichten Physiker der Universität Basel und der EPF Lausanne im Fachblatt «Nature Nanotechnology».

Nanodrähte sind extrem dünne, langgestreckte Kristalle, die Molekül für Molekül aus verschiedenen Materialien aufgebaut werden können und wegen ihrer besonderen Eigenschaften zurzeit von zahlreichen Forschungsteams weltweit untersucht werden.

Die Drähte haben normalerweise einen Durchmesser von maximal 100 Nanometern und sind damit etwa tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Aufgrund ihrer winzigen Abmessungen besitzen sie eine im Vergleich zum Volumen enorm grosse Oberfläche, haben eine sehr geringe Masse und zeichnen sich durch ein fast fehlerfreies Kristallgitter aus. Nanodrähte sind daher gut geeignet, um als winzige Sensoren für biologische und chemische Proben, aber auch als Druck- oder Ladungssensoren eingesetzt zu werden.

Richtung und Grösse gemessen

Das Basler Forschungsteam um Argovia-Professor Martino Poggio vom Swiss Nanoscience Institute (SNI) und dem Departement Physik der Universität Basel zeigt nun, dass Nanodrähte auch als Sensoren in Rasterkraftmikroskopen zur Erfassung von Kräften verwendet werden können. Wegen ihrer besonderen mechanischen Eigenschaften vibrieren diese Drähte entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen mit etwa derselben Frequenz. Wird nun ein Nanodraht in ein Rasterkraftmikroskop integriert, können die Forscher diese senkrecht zueinander stehenden Vibrationsänderungen, die durch verschiedene Kräfte ausgelöst werden, messen. Sie nutzen die Nanodrähte damit als winzige mechanische Kompassnadeln, die sowohl die Richtung als auch die Grösse der umgebenden Kräfte anzeigen.

Bild des zweidimensionalen Kräftefelds

Die Basler Wissenschaftler beschreiben, wie sie mit einem Nanodraht-Sensor eine strukturierte Probenoberfläche abgebildet haben. Zusammen mit Kollegen von der EPF Lausanne, welche die Nanodrähte herstellen, konnten sie das zweidimensionale Kräftefeld über der Probenoberfläche mit dem Nanodraht-Kompass abbilden. Um zu beweisen, dass das Prinzip der Messung erfolgreich ist, generierten die Forscher mithilfe von winzigen Elektroden auch Test-Kraftfelder und bildeten diese erfolgreich ab.

Die grösste technische Herausforderung war dabei, ein Gerät zu realisieren, das einen Nanodraht über der Oberfläche scannen kann und gleichzeitig seine Vibration in zwei senkrecht zueinander laufenden Richtungen beobachtet. Entwickelt wurde daher ein neuer Typ von Rasterkraftmikroskop, womit dessen vielfältiger Einsatz noch erweitert werden kann.

Rasterkraftmikroskop heute breit eingesetzt

Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops vor 30 Jahren wurde Anfang September 2016 mit der Verleihung des hochdotierten Kavli-Preises ausgezeichnet. Prof. Christoph Gerber von SNI und Departement Physik der Universität Basel ist einer der drei Preisträger, der mit seiner Arbeit massgeblich dazu beigetragen hat, dass diese Art von Mikroskopie aus Bereichen wie Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Biologie und Medizin nicht mehr wegzudenken ist.

Die verschiedenen Typen von Rasterkraftmikroskopen besitzen in der Regel Federbalken aus kristallinem Silizium als mechanische Sensoren. «Wenn wir nun die deutlich kleineren Nanodrähten einsetzen, öffnet das die Tür für weitere Verbesserungen dieser enorm erfolgreichen Technik», sagt Martino Poggio.

Die Studie wurde unterstützt von European Research Council Starting Grant NWScan, Swiss Nanoscience Institute, Kanton Aargau, Schweizerischem Nationalfonds und dem Nationalen Forschungsschwerpunkt «Quantum Science and Technology».

Originalbeitrag:
Nicola Rossi, Floris R. Braakman, Davide Cadeddu, Denis Vasyukov, Gözde Tütüncüoglu, Anna Fontcuberta i Morral & Martino Poggio
Vectorial scanning force microcopy using a nanowire sensor
Nature Nanotechnology (2016), doi: 10.1038/nnano.2016.189

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.08.2016

Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, mithilfe eines Rasterkraftmikroskops einem Silberkatalysator bei der Arbeit zuzusehen. Aus den Beobachtungen während einer sogenannten Ullmann-Reaktion können die Forscher deren Energieumsatz berechnen und die Katalyse damit möglicherweise optimieren. Die Studie, die mit Fachkollegen aus Japan und dem Iran entstand, wurde in der Wissenschaftszeitschrift «Small» veröffentlicht.

Die untersuchte Ullmann-Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Silberatome die Bindung von zwei Kohlenstoffatomen katalysieren, an denen vorher Iod gebunden war. Obwohl diese Art der Reaktion schon seit 1901 bekannt ist und für zahlreiche wichtige chemische Umwandlungen angewendet wird, konnte das Zwischenprodukt dieser Reaktion bisher nicht genau beobachtet werden.

Dieses Zwischenprodukt haben nun Forscher um Prof. Ernst Meyer und Dr. Shigeki Kawai vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel mithilfe eines Rasterkraftmikroskops in atomarer Auflösung dargestellt.

Überraschenderweise zeigte sich, dass die Silberatome schon bei Temperaturen von etwa –120 °C  mit den Molekülen reagieren und gekrümmt wie eine Brücke über einen Fluss erscheinen. Im zweiten Schritt der Reaktion, der eine Temperaturerhöhung auf etwa 105 °C benötigt und zum Endprodukt führt, werden die Silberatome wieder frei und zwei Kohlenstoffatomen binden aneinander.

Energieberechnung möglich

Die Ullmann-Reaktion wird schon seit Langem für chemische Synthesen genutzt. In jüngster Zeit hat sich das Interesse an dieser Kopplung von Kohlenstoffatomen weiter verstärkt, da damit organische Moleküle an Oberflächen gebunden und lösungsmittelfrei Polymere hergestellt werden. Eine genaue Beobachtung der Arbeit des eingesetzten Katalysators lässt die Wissenschaftler den Ablauf der Reaktion besser verstehen.

Bisherige Analysen konnten die räumliche Anordnung des metallorganischen Zwischenprodukts nicht zeigen. Erst die jetzt erhaltenen detailgenauen Aufnahmen ermöglichten dem Projektpartner Prof. Stefan Goedecker vom Departement Physik der Universität Basel, den Energieumsatz der untersuchten Ullmann-Reaktion zu berechnen. Diese Daten bestätigten die ungewöhnliche räumliche Anordnung des Zwischenprodukts und liefern Hinweise zur Optimierung der Reaktion.

Relativ geringe Temperaturen

Es liegt wahrscheinlich an der beobachteten Krümmung  bzw. Flexibilität der Moleküle, dass die Reaktion relativ geringe Temperaturen von 105 °C benötigt. Die Moleküle stehen unter mechanischer Spannung und können somit leichter reagieren, also bei geringeren Temperaturen. Wenn es gelänge, auch mit andern Katalysatoren solche unter Spannung stehende Zwischenprodukte zu erreichen, könnten katalytische Reaktionen auch bei tieferen Temperaturen möglich werden. Dies wäre ökologisch und ökonomisch sinnvoll, da klassische Katalysatoren mit Platin, Rhodium oder Palladium oft hohe Betriebstemperaturen von 500 °C benötigen – was zur Emission von Abgasen im kalten Zustand führt.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Departement Physik der Universität Basel, dem National Institute of Materials Science (Japan), der Japan Science and Technology Agency (Japan), der University of Tokyo (Japan) und der Shadid Beheshti University (Iran) durchgeführt.

Originalarbeit:
Shigeki Kawai, Ali Sadeghi, Toshihiro Okamoto, Chikahiko Mitsui, Rémy Pawlak, Tobias Meier, Jun Takeya, Stefan Goedecker and Ernst Meyer
Organometallic Bonding in an Ullmann-Type On-Surface Chemical Reaction Studied by High-Resolution Atomic Force Microscopy
Small (2016), DOI: 10.1002/smll.201601216

Externer Link: www.unibas.ch