Presseinformation der LMU München vom 11.03.2015

Winzige Glaskügelchen mit einer goldenen Hälfte: LMU-Wissenschaftler entwickeln Nanoteilchen, die sich mit einem Laserstrahl äußerst präzise bewegen lassen – fast wie in einem Aufzug.

Der doppelgesichtige römische Gott Janus ist ihr Namensgeber: Sogenannte Janus-Partikel sind winzige Nano-Teilchen mit zwei sehr unterschiedlichen Seiten. Einem Team um Professor Jochen Feldmann und Dr. Alexander Urban, LMU-Physiker und Mitglieder des Exzellenzclusters NIM (Nanosystems Initiative Munich), gelang nun die Herstellung von Janus-Partikeln, die dank ihrer speziellen Eigenschaften mit noch nie erreichter Präzision in einem Laserstrahl bewegt werden können.

Wird ein Laserstrahl durch das Objektiv eines Mikroskops fokussiert, wirkt er wie eine optische Pinzette und hält Nanopartikel an dem Punkt fest, an dem das Licht gebündelt wird. Das funktioniert mithilfe von Kräften, die durch die Streuung des Lichts am Partikel hervorgerufen werden. „Diese Partikel nicht nur festzuhalten, sondern auch gezielt zu bewegen, ist für viele Anwendungen, etwa für die Analyse flüssiger Proben mithilfe sogenannter Mikrofluidik-Chips, sehr wünschenswert“, sagt Urban. „Die Nutzung von optischen Pinzetten für solche Anwendungen war bisher aber nur begrenzt möglich, weil die Position und die Bewegungsrichtung der Teilchen nur unzureichend kontrolliert werden konnten.“

Goldüberzug macht mobil

Diese Begrenzung konnte Urbans Team nun aufheben. Der Trick: Die Wissenschaftler überzogen Nano-Glaskügelchen zur Hälfte mit einer hauchdünnen Goldschicht. „Die Goldschicht ist nur fünf Nanometer dick, also etwa 20-mal dünner als Blattgold“, sagt Urban. Die goldüberzogene Seite der so erzeugten Janus-Partikel wird durch den Laserstrahl erwärmt, während die gläserne Seite kein metallischer Leiter ist und nicht auf den Laser reagiert. Schwimmt ein solches Janus-Teilchen im Wasser, entsteht durch die Erwärmung der goldenen Seite ein Temperaturgefälle, durch das sich das Teilchen nach oben zum Laser hin bewegt.

Laserstärke kontrolliert Bewegung

Welchen Kurs es dabei nimmt und welche Strecke es zurücklegt, bestimmt ein komplexes Zusammenspiel der Kräfte, die auf das Teilchen wirken: Die Streukräfte kontrollieren die Ausrichtung des Teilchens im Raum und halten es im Laserstrahl, während die Intensität des Lasers den Grad der Erwärmung und damit die in der dritten Dimension zurückgelegte Strecke steuert. Durch eine Veränderung der Laserstärke können die Wissenschaftler das Janus-Teilchen deshalb wie mit einem Aufzug im Laserstrahl auf und ab bewegen: Wird die Laserstärke erhöht, bewegt sich das Teilchen aufwärts, wird sie schwächer, sinkt das Teilchen wieder.

„Die neue Technik erlaubt uns eine noch nie erreichte Kontrolle über die Partikelbewegung und hat viele interessante Einsatzmöglichkeiten“, sagt Urban. In einem nächsten Schritt gelang es den Wissenschaftlern bereits, eine goldene Nano-Kugel gemeinsam mit dem neuen Janus-Teilchen im Laserstrahl einzufangen und die Entfernung zwischen den beiden Partikeln zu kontrollieren. „Das macht unseren Laserstrahl-Aufzug zu einem vielversprechenden Werkzeug sowohl für die Grundlagenforschung als auch für viele praktische Anwendungen. Denkbar wäre etwa ein Nano-Kraftmessgerät, bei dem ein Molekül zwischen die beiden Partikel gespannt und mithilfe des Lasers gemessen wird, welche Kraft man braucht um die Partikel auseinanderzuziehen“, sagt Urban. (göd)

Publikation:
ACS Photonics 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseaussendung der TU Wien vom 17.02.2015

Bausteine, die sich ganz von selbst zu komplizierten Strukturen zusammenfügen wurden an der TU Wien entwickelt.

Wenn man winzige Nanostrukturen herstellen will, kann man entweder genau die richtigen Bausteine aneinanderfügen oder ein Material mit Präzisionswerkzeugen zuschneiden. Viel praktischer ist es allerdings, wenn man Moleküle hat, die sich ganz von selbst zu einer wohlgeordneten Struktur zusammenbauen. Einem Forschungsteam von der TU Wien, der KU Leuven (Belgien) und dem MPI Mainz (Deutschland) gelang es nun, Moleküle je nach angelegter elektrischer Spannung zwischen zwei- und dreidimensionale Anordnungen hin und her wechseln zu lassen.

Umschalten zwischen verschiedenen Nanostrukturen

Man würde erwarten, dass sich Moleküle auf einer Oberfläche einfach ganz zufällig anordnen, wie Spielzeugkugeln, die man über den Boden rollen lässt. Oft ist das auch so – doch manche Moleküle können mehr. „Wenn zwischen ihnen die richtigen Kräfte wirken, verbinden sie sich automatisch zu einer komplexen Struktur“, erklärt Stijn Mertens. Er ist am Institut für angewandte Physik der TU Wien, für das Labor für elektrochemische Oberflächenphysik zuständig. Diesen Effekt zu kontrollieren ist meist sehr schwierig. Nun konnte eine Methode gefunden werden, das positiv geladene Molekül PQP+ sogar zwischen verschiedenen Ordnungszuständen wechseln zu lassen.

Die Moleküle werden auf einer ebenen Goldfläche aufgebracht und dann mit einer Elektrolytlösung bedeckt. Zwischen dem Golduntergrund und der Elektrolytlösung wird dann eine elektrische Spannung angelegt und die Moleküle bilden eine poröse Struktur. Je stärker der Golduntergrund negativ aufgeladen wird, umso mehr PQP+ Moleküle können sich pro Fläche anlagern. Daher können sich je nach elektrischer Spannung unterschiedliche geordnete Muster ergeben. „Je höher die Ladung im Gold, umso dichter wird die Überdeckung mit den PQP+ Molekülen“, erklärt Stijn Mertens. „Bei all diesen Beispielen von Selbstorganisation legt die chemische Struktur der Bausteine bereits fest, welche Anordnungen in der Ebene möglich sind.“

Sechseckige Blumenmuster

Zunächst bilden die Moleküle sechseckige, blütenartige Strukturen aus. Erhöht man die Spannung, drehen sich die Moleküle und rücken auseinander. In der Mitte jeder Sechsergruppe wird dann ein Platz für ein zusätzliches Molekül frei und eine neue, dichtere Struktur entsteht. Erhöht man die Spannung weiter, rücken die Moleküle schließlich übereinander und formen eine dreidimensionale Struktur. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen kann man die winzigen Strukturen mit Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern abbilden.

„Dieses Maß an Kontrolle und Reproduzierbarkeit ist bei selbstorganisierenden Molekülen ungewöhnlich“, sagt Mertens. Insbesondere der Wechsel zwischen zwei- und dreidimensionalen Strukturen konnte vorher noch nie beobachtet werden wenn nur eine einzige Sorte chemischer Bausteine verwendet wird. „Nützlich könnte das für künstliche Rezeptoren, hochspezifische Detektoren oder neue, intelligente Materialien sein“, hofft Mertens. Auch Flüssigkristall-Displays funktionieren auf ähnliche Weise: Auch dort wird die Ausrichtung von Molekülen mit Hilfe elektrischer Felder kontrolliert. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.01.2015

Die Kondensation von einzelnen Atomen, also ihren Übergang vom gasförmigen in einen andern Zustand, abzubilden – dies ist einem internationalen Physikerteam mit einer neuen Methode gelungen. Unter Leitung des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel konnte es erstmals nachverfolgen, wie Xenon-Atome in winzigen Messbechern, sogenannten Quantentöpfen, kondensieren. Damit werden wichtige Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen zwischen Atomen möglich, berichten die Forscher in «Nature Communications».

Das Team um Prof. Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute, Departement Physik der Universität Basel und Paul-Scherrer-Institut hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Kondensation von einzelnen Atomen erstmals Schritt für Schritt abbilden lässt. Die Forschenden liessen Atome des Edelgases Xenon in sogenannten Quantentöpfen kondensieren und untersuchten die entstehenden Ansammlungen darauf mithilfe der Rastertunnelmikroskopie.

Quantentöpfe als Messbecher

Die verwendeten Quantentöpfe entstehen jeweils durch Selbstorganisation von spezifisch «programmierten» Molekülen zu einem porösen Netzwerk auf einer Substratoberfläche. Sie dienen als Messbecher mit genau definierter Grösse, Form und atomarer Struktur des Bodens und der Wände. In den Quantentöpfen ist die Bewegungsfreiheit der Atome eingeschränkt, und ihre Anordnung lässt sich je nach Besetzung genau untersuchen und darstellen.

So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass sich die Xenon-Atome immer nach einem bestimmten Prinzip anordnen. Beispielsweise bilden sich gewisse Einheiten aus vier Atomen erst, wenn sich mindestens sieben Atome im Quantentopf befinden. Befinden sich zwölf Atome in dem Quantentopf, entstehen drei sehr stabile Vierereinheiten.

Rückschlüsse auf die Natur von Bindungen

Die an den Nanokondensaten zum ersten Mal erfassten Bilder und Strukturen erlauben wichtige Rückschlüsse auf die Natur der physikalischen Bindungen, welche die Xenon-Atome eingehen. «Wir können dieses System aber nicht nur für Edelgase einsetzen», kommentiert die Erstautorin der Publikation, Sylwia Nowakowska. «Auch andere Atome und ihre Bindungen kann man damit untersuchen.» Da die Methode genau abbildet, wie sich die Atome aneinander binden und wie stabil die verschiedenen Zustände sind, lassen sich mit der neu entwickelten Methode auch theoretische Berechnungen über Bindungen überprüfen.

Die Ergebnisse der Studie basieren auf einer Zusammenarbeit von Forschenden aus der Schweiz, Brasilien, Schweden, Deutschland und den Niederlanden und wurden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlicht.

Originalbeitrag:
Sylwia Nowakowska, Aneliia Wäckerlin, Shigeki Kawai, Toni Ivas, Jan Nowakowski, Shadi Fatayer, Christian Wäckerlin, Thomas Nijs, Ernst Meyer, Jonas Björk, Meike Stöhr, Lutz H. Gade & Thomas A. Jung
Interplay of weak interactions in the atom-by-atom condensation of xenon within quantum boxes
Nature Communications (2015) | doi: 10.1038/ncomms7071

Externer Link: www.unibas.ch

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 19.12.2014

Wichtiger Schritt für die Nanotechnologie

Wissenschaftlern ist es jetzt erstmals gelungen, elektrische Felder zwischen zwei Atomen in einem Kristall zu messen. Das internationale Forscherteam, dem auch Prof. Dr. Josef Zweck vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg angehört, setzte dazu ein spezielles Hochleistungs-Elektronenmikroskop ein. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/ncomms6653).

Für ihre Experimente griffen die Forscher auf Strontiumtitanat (SrTiO3) zurück, das aufgrund seines hohen Brechungsindex für optische Bauelemente verwendet wird. Der Durchmesser des Elektronenstrahls des Hochleistungs-Elektronenmikroskops war mit etwa 50 pm (Pikometer) drei- bis viermal kleiner als der Abstand zwischen den einzelnen Atomen in der Kristallstruktur von Strontiumtitanat. Der Strahl konnte daher dazu genutzt werden, um den Raum zwischen den Atomen abzutasten. Dort existierende elektrische Felder – mit verantwortlich für die Bindung der Atome untereinander – beeinflussen den Elektronenstrahl. Mit Hilfe eines quantenphysikalischen Ansatzes gelang die Rekonstruktion der interatomaren Felder.

Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten der Materialcharakterisierung auf atomarer Ebene. Von großer Bedeutung ist dies für den Bereich der Nanotechnologie, in dem besondere physikalische Eigenschaften schon allein durch Bearbeitung oder Manipulation von einer oder wenigen Atomlagen erzeugt werden können. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Publikation:
Knut Müller, Florian F. Krause, Armand Béché, Marco Schowalter, Vincent Galioit, Stefan Löffler, Johan Verbeeck, Josef Zweck, Peter Schattschneider, Andreas Rosenauer (2014): Atomic electric fields revealed by a quantum mechanical approach to electron picodiffraction, in Nature Communications 5, Article number: 5653

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.12.2014

Malariaparasiten dringen in menschliche rote Blutkörperchen ein, die sie zum Platzen bringen und so weitere infizieren. Nun haben Forschende der Universität Basel und des Schweizerischen Tropen- und Public Health-Instituts sogenannte Nano-Imitate von Wirtszellmembranen entwickelt, welche die Erreger täuschen und austricksen. Dies könnte zu neuartigen Therapie- und Impfstrategien gegen Malaria und andere Infektionskrankheiten führen, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift «ACS Nano» berichten.

Für viele Infektionskrankheiten gibt es noch keine Impfung, die eine Infektion im Voraus verhindert; zudem verbreiten sich Resistenzen gegen aktuelle Medikamente rasant. Zur Bekämpfung solcher Infektionen werden daher innovative Strategien mit alternativen Wirkmechanismen gesucht – so etwa gegen den Malariaerreger Plasmodium falciparum, der durch die Stechmücke Anopheles übertragen wird. Malaria ist immer noch verantwortlich für mehr als 600’000 Todesfälle im Jahr, vor allem Kinder in Afrika sind betroffen (WHO, 2012).

Künstliche Bläschen mit Rezeptoren

Die Malariaparasiten dringen normalerweise in menschliche rote Blutkörperchen ein, in denen sie sich verstecken und vermehren. Danach bringen sie die Wirtszellen zum Platzen und infizieren neue Zellen. Dieser Kreislauf kann nun mithilfe der Nano-Imitate effizient unterbrochen werden, da die frei gewordenen Erreger an Nano-Imitate anstatt an die roten Blutkörperchen binden.

Forschende um Prof. Wolfgang Meier, Prof. Cornelia Palivan (beide Universität Basel) und Prof. Hans-Peter Beck (Swiss TPH) haben die Nano-Imitate der Wirtszellmembran entwickelt und erfolgreich getestet. Dazu entwickelten sie einen einfachen Prozess zur Herstellung von Polymer-Vesikeln – kleinster künstlicher Bläschen –, die die spezifischen Wirtszellrezeptoren auf ihrer Oberfläche präsentieren. Die Bildung solcher Polymer-Vesikel mit eingebautem wasserlöslichem Wirtszellrezeptor erfolgte durch ein Gemisch aus zwei unterschiedlichen Block-Copolymeren. In wässriger Lösung formen sich die Nano-Imitate spontan durch Selbstorganisation.

Erreger effizient blockiert

In der Regel zerstören die Malariaparasiten ihre Wirtszellen nach 48 Stunden und infizieren neue rote Blutkörperchen, wobei sie an deren spezifischen Wirtszellrezeptoren binden müssen. Nano-Imitate können nun die heraustretenden Parasiten binden und dadurch ihre Invasion in die Wirtszellen blockieren. Die Erreger befallen so ihre Wirtszellen nicht mehr, sind jedoch für das Immunsystem voll zugänglich.

Die Forschenden untersuchten die Interaktion von Nano-Imitaten und den Malariaparasiten mittels Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie im Detail. Dabei konnte eine grosse Anzahl an Nano-Imitaten an die Parasiten binden, und die Reduktion der Infektion war durch die Nano-Imitate um das 100-Fache effizienter als mit löslichen Wirtszellrezeptoren. Das heisst: Um alle Erreger zu blockieren, braucht es eine 100-mal höhere Konzentration von löslichen Wirtszellrezeptoren, als wenn die Rezeptoren auf den Nano-Imitaten präsentiert werden.

«Unsere Ergebnisse könnten in Zukunft zu neuen Möglichkeiten für alternative Therapie- und Impfansätzen führen», sagt Adrian Najer, Erstautor der Studie. Da viele Krankheitserreger den gleichen Wirtszellrezeptor zum Eindringen benötigen wie die Malariaparasiten, könnten die Nano-Imitate auch gegen andere Infektionskrankheiten eingesetzt werden. Das Forschungsprojekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds und dem NCCR «Molecular Systems Engineering» finanziell unterstützt.

Originalbeitrag:
Adrian Najer, Dalin Wu, Andrej Bieri, Françoise Brand, Cornelia G. Palivan, Hans-Peter Beck, and Wolfgang Meier
Nanomimics of Host Cell Membranes Block Invasion and Expose Invasive Malaria Parasites
ACS Nano, Publication Date (Web): November 29, 2014 | DOI: 10.1021/nn5054206

Externer Link: www.unibas.ch