Pressemeldung der Universität Wien vom 16.05.2013

Nanotechnologie basiert auf der Herstellung von erstaunlich kleinen Materialstrukturen, den Nano-Strukturen. Physikern an der Universität Wien ist es nun gelungen, eine einzigartige Nano-Struktur aus Kohlenstoff zu züchten, die einem winzigen gezwirbelten Schnurrbart ähnelt. Ihre Methode könnte wegweisend für die Bildung komplexerer Nano-Netzwerke sein. Die Forscher der Gruppe „Elektronische Materialeigenschaften“ an der Fakultät für Physik und ihre internationalen KollegInnen veröffentlichten ihre Ergebnisse im neuen Open Access Journal des renommierten Verlagshauses Nature: Scientific Reports.

Nano-Materialien weisen einzigartige Eigenschaften auf, die nur dann zur Geltung kommen, wenn die Materialstrukturen winzig klein, d.h. auf der Nano-Skala, sind. Um sich diese besonderen Eigenschaften wie z.B. spezielle Quanteneffekte zunutze zu machen, ist es wichtig, vordefinierte Nano-Strukturen gezielt herzustellen und erklären zu können, wieso diese eine bestimmte Form annehmen. WissenschafterInnen wollen daher genau verstehen, wie man das Wachstum von Nano-Materialien auslösen und steuern kann und verfolgen verschiedene Strategien, um Nano-Strukturen zu entwickeln und deren Wachstum zu kontrollieren. Im großen Vorbild Natur wachsen viele organische Formen bilateral, das heißt symmetrisch in zwei unterschiedliche Richtungen.

Einem internationalen Forscherteam von der Universität Wien, der Universität Surrey (UK) und des IFW Dresden (Deutschland) gelang nun unter Anwendung einer neuartigen Methode die bilaterale Züchtung von anorganischen Nano-Materialien in einer kontrollierten Umgebung.

Die Bedeutung von Nano-Schnurrbärten

Die WissenschafterInnen setzten ein Gas mit Kohlenstoff- und Eisen-Atomen bei hohen Temperaturen solange unter Druck, bis sie beobachteten, wie ganz spontan zwei Arme aus Kohlenstoff-Atomen von einem Eisenkern ausgehend zu wachsen begannen. Bei ausreichend kleinen Eisenkernen fingen die Kohlenstoff-Arme an, sich an ihren Enden spiralförmig einzudrehen, sodass die ganze Nano-Struktur eine verblüffende Ähnlichkeit mit einem gezwirbelten Schnurrbart aufweist. „Die ermutigenden Erkenntnisse aus unseren Experimenten bieten einen sehr guten Ausgangspunkt für die kontrollierte Herstellung von außergewöhnlichen neuen Materialien mit vordefinierten Nano-Strukturen“, betont Hidetsugu Shiozawa, Erstautor der Publikation und Forscher an der Fakultät für Physik der Universität Wien.

Nützliche „Fehler“

Um mehr über den internen Aufbau der Nano-Schnurrbärte herauszufinden, schnitten die ForscherInnen ihr Nano-Material in extrem dünne Scheiben und benützten ein spezielles Mikroskop – ein Transmissionselektronenmikroskop –, das ihnen einen genaueren Blick in die Scheiben ermöglichte. Wenn sich Nano-Strukturen ausbilden, entstehen strukturelle Fehlstellen im Material, die etwas über ihren Wachstumsprozess verraten. Die Art und Weise, wie die strukturellen Fehlstellen im beobachteten Fischgrätmuster der aufgeschnittenen Nano-Schnurrbärte verteilt waren, erlaubte den WissenschafterInnen einen Blick in die Vergangenheit und lieferte weitere Informationen über die Bildung des Nano-Materials. Für künftige Anwendungen ist es wichtig, diese Erkenntnisse auf das Wachstum von Nano-Strukturen in zwei oder drei Dimensionen zu übertragen, um so regelmäßige Muster und Netzwerke auf der Nano-Skala herzustellen.

Die WissenschafterInnen haben es sich deshalb zum Ziel gesetzt, noch mehr über den Mechanismus zu erfahren, der hinter der Ausformung der Nano-Schnurrbärte steckt und wollen in künftigen Forschungsprojekten mehrdimensionale und noch komplexere Nano-Strukturen züchten.

Wissenschaftliche Publikation:
„Microscopic insight into the bilateral formation of carbon spirals from a symmetric iron core“:
Hidetsugu Shiozawa, Alicja Bachmatiuk, Andreas Stangl, David C. Cox, S. Ravi P. Silva, Mark H. Rümmeli & Thomas Pichler
Scientific Reports 3, Article number: 1840
doi:10.1038/srep01840
Veröffentlicht am 14. Mai 2013

Externer Link: www.univie.ac.at

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.04.2013

Materialrevolution in der Optomechanik ermöglicht Bauteile aus einem Guss / Polykristalliner Diamant ist robust und einfacher industriell zu verarbeiten / Präzisions-Sensoren für Schwingung

Der Einsatz von Licht zur Informationsverarbeitung öffnet viele Möglichkeiten. Um die Photonen des Lichts jedoch gezielt in Schaltkreisen und Sensoren einzusetzen, werden Materialien benötigt, die die richtigen optischen und mechanischen Eigenschaften mitbringen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun erstmals polykristallinen Diamant für einen optischen Schaltkreis eingesetzt und ihre Ergebnisse bei Nature Communications online veröffentlicht. (DOI: 10.1038/ncomms2710)

„Diamant hat mehrere Eigenschaften, die es uns ermöglichen, alle Komponenten eines einsatzbereiten optomechanischen Schaltkreises sozusagen aus einem Guss zu realisieren“, sagt Wolfram Pernice Gruppenleiter am KIT. „Die so hergestellten Elemente – die Resonatoren, Schaltkreise und der Wafer – überzeugen durch ihre hohe Qualität.“

Diamant ist durchsichtig, also optisch transparent für Lichtwellen aus einem weiten Wellenlängenbereich, der auch das sichtbare Spektrum zwischen 400 und 750 Nanometer Wellenlänge abdeckt. Damit lässt er sich gezielt in optomechanischen Schaltungen für Anwendungen in der Sensorik, der Fluoreszenz-Bildgebung oder für neuartige optische Messmethoden in der Biologie einsetzen. Sein hoher Brechungsindex und das Fehlen von Absorption sorgen für einen effizienten Transport der Photonen. Darüber hinaus macht ihn sein hohes Elastizitätsmodul zu einem robusten Werkstoff, der sich gleichzeitig hervorragend an raue Oberflächen anpasst und dabei noch die Eigenschaft hat, Wärme schnell wieder abzugeben.

Bislang wurden optische Schaltkreise nur mit einkristallinen Diamantsubstraten realisiert. Das sind hochreine Kristalle, bei denen unter einer Milliarden Diamant-Atomen höchstens ein Fremdatom vorkommt. Ihre Herstellung ist auf kleine Größen begrenzt und erfordert ein anspruchsvolles Verfahren, um sie auf Isolatoren, die für einen Schaltkreis benötigt werden, aufzubringen.

Die Forschungsgruppe von Pernice nutzte für die Realisierung ihrer optomechanischen Schaltkreise auf einem Wafer erstmals polykristallinen Diamant. Dieser weist zwar unregelmäßigere Kristallstrukturen auf, verhält sich aber insgesamt robuster und lässt sich entsprechend einfacher auf Isolatoren aufbringen. Dadurch kann man ihn großflächiger als den einkristallinen Diamanten verarbeiten. Er leitet die Photonen nahezu genauso effizient weiter wie einkristallines Diamantsubstrat und ist für den industriellen Einsatz geeignet. Das neue Material hat die Realisierung eines optomechanischen Bauteiles aus einem Guss erst ermöglicht.

Die Optomechanik verbindet die integrierte Optik mit mechanischen Elementen – im Fall des optomechanischen Schaltkreises der Gruppe Pernice mit nanomechanischen Resonatoren. Diese schwingfähigen Systeme reagieren auf eine bestimmte Frequenz. Tritt diese Frequenz auf, schwingt der Resonator mit. „Nanomechanische Resonatoren gehören zu den empfindlichsten Sensoren überhaupt und werden für eine Vielzahl von Präzisionsmessungen eingesetzt. Allerdings ist es extrem schwierig, solche kleinsten Bauteile mit etablierten Messmethoden anzusprechen“, erklärt Patrik Rath, Erstautor der Studie. „In unserer Arbeit haben wir die Tatsache genutzt, dass heute nanophotonische Bauelemente größengleich mit nanoskaligen mechanischen Resonatoren angefertigt werden können. Reagiert der Resonator, werden entsprechende optische Signale direkt an den Schaltkreis weitergegeben.“ Diese Entwicklung ermöglichte die Kombination dieser beiden ehemals getrennten Forschungsfeldern und somit die Realisierung von sehr effizienten optisch-mechanischen Schaltungen.

Die integrierte Optik funktioniert ähnlich wie integrierte Schaltkreise. Optische Schaltkreise geben Information über Photonen weiter, in den uns vertrauten elektronischen Schaltkreisen geschieht dies über Elektronen. Ziel der integrierten Optik ist es, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsprozesses erforderlichen Komponenten in einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen und so den Umweg über elektrische Signale zu vermeiden. In beiden Fällen werden die Schaltkreise auf weniger als ein Millimeter dicken Platten, auf sogenannten Wafern, aufgebracht.

Der polykristalline Diamant wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Firma Diamond Materials in Freiburg hergestellt. Die im Rahmen des Projekts „Integrated Quantum-Photonics“ am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) in Karlsruhe hergestellten Prototypen eröffnen neue Wege für komplett optisch gesteuerte Plattformen, wie sie in der Grundlagenforschung und in der erweiterten Sensor-Anwendung vermehrt benötigt werden. Sensor-Anwendungen sind beispielsweise Beschleunigungsmesser, die sie in zahlreichen elektronischen Geräten integriert sind: vom Sensor für den Airbag bis hin zur Wasserwaage für das Smartphone. (te)

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 20.02.2013

Forscherteam nutzt Graphen zur Steuerung von Elektronen

Ratschen sind einfach praktisch. Man kann beispielsweise einen Ratschenschraubendreher – ohne abzusetzen – bequem vor- und zurück drehen, und trotzdem bewegt sich die Schraube nur in eine Richtung. Ratschen sind zudem fast überall einsetzbar, etwa beim Spannen von Gurten oder beim Heben von Lasten. Oder auch im Bereich der Quantenwelt: So hat jetzt ein internationales Forscherteam um den Regensburger Physiker Prof. Dr. Sergey Ganichev eine extrem dünne Ratsche zur Steuerung von Elektronen entwickelt, die mit einem magnetischen Feld arbeitet. Für die Nanotechnologie werden Methoden zur Kontrolle von Elektronen immer wichtiger.

Als Material für die Ratsche nutzten die Forscher Graphen – ein Material, das nur aus einer einzelnen Atomlage Kohlenstoff besteht. Weniger geht nicht: Die neue Ratsche ist damit die dünnste der Welt. Die Physiker sprechen hier von „magnetischen Quantenratschen in Graphen“. Ein elektrisches Feld von Terahertzstrahlung bewegt dabei Elektronen im Takt vor und zurück. Terahertzstrahlung liegt zwischen dem Frequenzbereich für Rundfunk und dem Infrarotbereich. Ein zusätzlich angelegtes Magnetfeld wirkt bei geschickter Anordnung nun wie eine Ratsche, indem es die Bewegung der Elektronen in der einen Richtung zulässt, in der anderen aber unterdrückt. Die Wissenschaftler erläuterten die neue Ratsche vor Kurzem in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ (DOI: 10.1038/nnano.2012.231).

Das „Wundermaterial“ Graphen ist derzeit ein vielversprechender Kandidat, um Silizium als technologisch führendes Material für superschnelle Elektroniken abzulösen. Die neu entdeckte magnetische Quantenratsche könnte in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle spielen. Wie groß die Hoffnungen sind, die die Spitzenforschung mit Graphen verbindet, zeigen eindrucksvoll der Physik-Nobelpreis 2010 für A. Geim und K. Novoselov sowie die jüngste, erst im Januar 2013 gestartete, milliardenschwere europäische Flaggschiff-Initiative.

Das internationale Konsortium, das nun erstmals die Quantenratsche in Graphen realisieren konnte, besteht aus Forschergruppen aus vier Nationen: Deutschland, Russland, Schweden und den USA. Geleitet wird es von der Regensburger Arbeitsgruppe um den Experimentalphysiker Prof. Dr. Sergey Ganichev. Theoretische Unterstützung leisteten die Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Sergey Tarasenko (St. Petersburg) und Prof. Dr. Jaroslav Fabian (Universität Regensburg).

Die Erforschung von Graphen wird an der Universität Regensburg in großem Stil gefördert. Involviert sind unter anderem: Das Graduiertenkolleg GRK 1570 um Prof. Dr. Milena Grifoni, der Sonderforschungsbereich SFB 689 um Prof. Dr. Dieter Weiss sowie Regensburger Gruppen im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1459 (um Prof. Dr. Thomas Seyller, TU Chemnitz) und der Flaggschiff-Initiative Graphen. (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 06.02.2013

Das KIT-Spin off „Nanoscribe“ präsentiert Hochgeschwindigkeits-3D-Drucker

Die Nanoscribe GmbH, ein Spin off des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), stellt auf der Photonics West, der internationalen Leitmesse für Photonik, die derzeit in San Francisco (USA) stattfindet, den weltweit schnellsten Serien-3D-Drucker für die Mikro- und Nanostrukturierung vor. Winzige dreidimensionale Objekte, oft nicht größer als ein Haar breit, lassen sich mit dieser Entwicklung nun binnen kürzester Zeit und in höchster Auflösung herstellen. Möglich wird dies durch ein neuartiges laserlithografisches Verfahren.

„Der Erfolg von Nanoscribe ist ein Beispiel für die hervorragende Gründerkultur am KIT und bestätigt unsere Strategie, Ausgründungen gezielt zu unterstützen und zu fördern. So können Forschungsergebnisse schnell und nachhaltig in den Markt kommen“, sagt Dr. Peter Fritz, Vizepräsident für Forschung und Innovation des KIT. Nanoscribe ging Anfang 2008 als erste Ausgründung aus dem KIT an den Start und konnte sich seitdem erfolgreich als Markt- und Technologieführer im Bereich der 3D Laserlithografie etablieren. Allein im letzten Jahr wurden 18 Unternehmen als Ausgründungen aus dem KIT gegründet. Die von Nanoscribe entwickelten 3D Laserlithografiegeräte – das Spin-off ist nach wie vor auf dem Campus Nord des KIT angesiedelt – werden derzeit am KIT und weltweit von Wissenschaftlern in der Forschung eingesetzt. In der Photonik wird daran gearbeitet, konventionelle Elektronik durch leistungsfähigere optische Schaltungen zu ersetzen. Hierfür werden mit Nanoscribe-Geräten polymere Lichtwellenleiter gedruckt, die bereits heute Datenübertragungsraten von mehr als 5 Terabit pro Sekunde erlauben.

Die Biowissenschaften stellen maßgeschneiderte Gerüste, unter anderem für Zellwachstumsstudien her. In der Materialforschung lassen sich auf diese Weise funktionelle Materialien mit besseren Leistungsmerkmalen entwickeln, mit dem Ziel, durch Leichtbauweise die Ressourcen zu schonen. Neben Universitäten und Forschungseinrichtungen sind jedoch auch Industriekunden potenzielle Abnehmer.

Erhöhung der Geschwindigkeit: Aus Stunden werden Minuten

Das neue laserlithografische Verfahren ermöglicht es, die Druckgeschwindigkeit etwa hundertfach zu erhöhen. Realisiert wurde diese Geschwindigkeitssteigerung durch die Verwendung eines Galvo-Spiegelsystems, einer Technik, die beispielsweise auch in Lasershow-Geräten oder in den Abtastgruppen von CD- und DVD-Laufwerken zum Einsatz kommt. Durch die Drehbewegung von Spiegeln, an denen ein Laserstrahl reflektiert wird, lässt sich der Laserfokus schnell und präzise positionieren. „Mit unserer neuen Entwicklung haben wir das 3D-Drucken auf der Mikrometerskala revolutioniert. Präzision und Geschwindigkeit werden mittels der industriell etablierten Galvo-Technologie in Einklang gebracht. Mehr als 10 Jahre Erfahrung in der Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts, der Photonik, sind in dieses Produkt geflossen“, so Martin Hermatschweiler, Geschäftsführer der Nanoscribe GmbH.

Der Mechanismus: Zwei-Photonen-Polymerisation

Die dem 3D-Druckverfahren zugrundeliegende Technik des „Direkten Laserschreibens“ basiert auf der Zwei-Photonen-Polymerisation. Ähnlich der Bündelung von Sonnenlicht mittels einer Lupe zur Entzündung von Papier wird durch die Bündelung ultrakurzer Laserimpulse ein lichtempfindlicher Lack im Laserfokus polymerisiert. Je nach Wahl des Fotolackes löst sich nur das belichtete bzw. das unbelichtete Volumen. Nach einem Entwicklerbad bleiben diese beschriebenen Bereiche als freitragende Mikro- und Nanostrukturen stehen.

Aufhebung von Grenzen

Mittels der Galvo-Technologie können dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen sehr schnell und somit prinzipiell auch großflächig gedruckt werden. Das Scanfeld ist bei höchster Auflösung jedoch physikalisch – bedingt durch die optischen Eigenschaften des fokussierenden Objektivs – auf wenige 100 µm Ausdehnung beschränkt. Ähnlich wie beim Fliesen legen ist es erforderlich, diese Scanfelder nahtlos und akkurat aneinander zu fügen. Durch das sogenannte Stitching können die Flächen nahezu beliebig erweitert werden. (lg)

Externer Link: www.kit.edu

Presseinformation der LMU München vom 14.11.2012

Effektive Krebsmedikamente gibt es viele – zumindest in der Theorie. Viele Wirkstoffe scheitern aber daran, dass sie nicht alle Krebszellen in großen Tumoren erreichen. Eine neue Genfähre soll hier nun auf alten Pfaden neue Wege bahnen.

Der Tumor als Phalanx: Es gibt viele Medikamente, die Krebszellen effektiv abtöten können – wenn sie diese denn erreichen. Bei einer intravenösen Anwendung aber erreichen Therapeutika oft nicht alle Tumorzellen, wenn sich diese in einer soliden Tumormasse befinden. Ein Team um den LMU-Pharmazeuten Dr. Manfred Ogris setzt nun auf sogenannte Genfähren, die den Medikamenten über das oft hoch entwickelte Blutgefäßnetz in den Tumoren einen Weg in die Krebsgeschwulste bahnen sollen.

Vor allem große Tumoren sind auf die Versorgung über Gefäße angewiesen, die oft aber besonders durchlässig sind und so den Zugang der Wirkstoffe erleichtern könnten. Weil das Lymphatische System in Tumoren nicht funktioniert, baut sich an dieser Stelle aber ein Druck auf, der dies verhindert. Ein körpereigenes Molekül wirkt diesem Effekt entgegen: Das Zytokin TNFα, kurz für „Tumor Nekrose Faktor α“, kann Tumorzellen direkt abtöten, als Botenstoff über Entzündungsreaktionen die Blutgefäße aber auch durchlässiger machen.

Den Körper vor dem Wirkstoff schützen

Das Molekül wird auch bereits in Kombination mit Chemotherapeutika bei der Behandlung von Muskeltumoren in Armen und Beinen eingesetzt, wobei das betroffene Gefäßsystem dabei chirurgisch abgetrennt werden muss. „Leider können therapeutisch wirksame Mengen von TNFα nicht systematisch intravenös gegeben werden, weil dann alle Gefäße im Organismus aktiviert und geschädigt werden“, sagt Ogris. „Die Behandlung von Tumoren in inneren Organen oder von verstreuten Metastasen ist deshalb nicht möglich.“

Abhilfe könnte nun ein gentherapeutischer Ansatz bieten. Mit Hilfe von Genfähren soll das Gen für TNFα gezielt in Krebszellen geschleust werden. Gelingt dies, würden die Tumorzellen selbst das Zytokin produzieren und so lokal für eine ausreichend hohe TNFα -Konzentration sorgen, um die Blutgefäße durchlässiger zu machen. „Wir haben zunächst eine Version des TNFα -Gens entwickelt, die sich besonders effizient in ein Protein übersetzen lässt“, sagt Dr. Baowei Su, die Erstautorin der Studie.

Den Wirkstoff vor dem Körper schützen

Zusammen mit Forschern der TU München und des Helmholtz Zentrums München konnte sie das Plasmid so gestalten, dass – anders als bei herkömmlichen Varianten – keine unspezifischen Entzündungen im Körper zu erwarten sind. Eine Verpackung aus Nanopartikeln sollte das genetische Material dann noch davor schützen, im Blutstrom frühzeitig inaktiviert zu werden, und gleichzeitig die Genfähre gezielt an Tumorzellen andocken lassen. In Zellkulturen gelang dem Team der Nachweis, dass diese mit diesen Partikeln behandelte Tumorzellen sehr effizient TNFα -Protein produzieren.

Behandlung mit der Genfähre alleine zeigte nur eine moderate Wirkung – in Kombination mit einem Chemotherapeutikum aber einen deutlichen Effekt. Dieses klinisch häufig eingesetzte Präparat mit dem Handelsnamen Doxil enthält den tumorhemmenden Wirkstoff Doxorubicin. Das Molekül ist in etwa 100 Nanometer große Liposomen verpackt, was die Nebenwirkungen reduziert und den Wirkstoff länger im Blut zirkulieren lässt, so dass er sich besser an die Krebsgeschwulste anlagern kann.

Ein Ansatz mit langer Lebensdauer

Sowohl bei einem Mäuse- als auch bei einem menschlichen Lebertumor im Tiermodell führte die Vorbehandlung mit TNFα -Genfähren zu einer deutlich erhöhten Anreicherung von Doxil im Tumor, wie die Forscher in Echtzeit nachweisen konnten. Das Wachstum einiger Tumoren ließ sich auf diesem Weg stoppen, auch nach drei bereits erfolgten Behandlungszyklen. Das zeigt, dass wohl keine Resistenzmechanismen aufgetreten sind, die viele Behandlungsansätze unwirksam werden lassen.

Wichtig für einen Behandlungserfolg sind neben einzelnen Tumoren vor allem aber metastasische Modelle mit gestreuten Tumoren im Organismus. Auch bei einem Neuroblastom aus der Maus und bei ins Tiermodell implantierten menschlichen Darmtumoren mit multiplen Metastasten in der Leber hat der neue Ansatz das Tumorwachstum deutlich reduziert. „TNFα könnte sich zudem für die Behandlung mit anderen Medikamenten und auch anderen Therapien eignen“, sagt Ogris. „Wir wollen die Genfähre nun optimieren, auch um hoffentlich die Planung von präklinischen Studien beginnen zu können.“ (suwe)

Publikation:
Molecular Therapy, 13. November 2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de