Das präzise Leuchten

Presseinformation der LMU München vom 07.08.2017

Welche Farbe eine LED besitzt, lässt sich unter anderem über die Größe ihrer Halbleiter-Kristalle einstellen. Wie das auf den Nanometer genau preisgünstig und industrietauglich möglich ist, zeigt ein Forscherteam aus München und Linz.

Anders als die gute alte Glühbirne strahlen Leuchtdioden (LEDs) in definierten Farben von Infrarot bis Ultraviolett. Die genaue Wellenlänge ist dabei abhängig von der Art des Halbleitermaterials, dem Kernstück der LEDs. Bei einigen Materialien lässt sich die Farbe zusätzlich über die Größe der Halbleiter-Kristalle einstellen. Liegt diese nämlich im Bereich weniger Nanometer, kommen Quanteneffekte zum Tragen.

Wissenschaftler der LMU haben jetzt mit Kollegen von der Universität Linz eine Methode entwickelt, mit der sie aus dem preiswerten Mineraloxid Perowskit halbleitende Nanokristalle einer definierten Größe herstellen können. Die Kristalle sind dabei sehr stabil, so dass die LEDs eine hohe Farbtreue besitzen – ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Zudem lässt sich der Halbleiter bestens in Druckverfahren einsetzen wie beispielsweise bei der Herstellung von LEDs für Displays.

Entscheidend für die Methode der Wissenschaftler ist eine wenige Nanometer dünne Schicht mit waffelartiger Struktur. Die Mulden erinnern an winzige „Reaktionstöpfe“ und ihre Form und ihr Volumen bestimmen die endgültige Größe der wachsenden Nanokristalle. „Bestimmen konnten wir die Kristallgröße am besten mit feiner hochenergetischer Röntgenstrahlung am Deutschen Elektronen-Synchrotron in Hamburg“, berichtet der LMU-Forscher Dr. Bert Nickel vom Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM).

Die Dünnschichten werden über ein preiswertes elektrochemisches Verfahren hergestellt und sind praktischerweise direkt Bestandteil der späteren LEDs. “Unsere nanostrukturierten Oxidschichten haben dabei den zusätzlichen Effekt, die Halbleiterkristalle vor Umwelteinflüssen wie Sauerstoff und Wasser zu schützen und erhöhen so die Lebensdauer” erklärt Dr. Martin Kaltenbrunner von der Universität Linz. „Als nächsten Schritt werden wir versuchen, die Effizienz der Dioden weiter zu steigern sowie neue Anwendungsbereiche wie zum Beispiel in flexiblen Displays zu erschließen.“ (NIM/LMU)

Publikation:
Science Advances online 2017

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Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 16.08.2017

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen.

Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse überwinden, die der Körper zu seinem Schutz gegen Viren, Bakterien oder Partikel wie Dieselruß aufgebaut hat – etwa den Schleim der Atemwege. Damit die Arznei dort nicht steckenbleibt, haben Professor Marc Schneider und sein Team ein Transportsystem entwickelt, das einen Wirkstoff zuverlässig in die Lungenzellen schleust. „Stäbchenförmige Partikel sind lungengängig, werden also in die Lunge aufgenommen. Außerdem bieten sie ein großes Volumen für die Ladung, die transportiert werden soll. Daher wollten wir ein Transportsystem mit dieser Form entwickeln“, erklärt der Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie an der Saar-Universität.

Die Zylinder mit der maisartigen Struktur sind 10.000 x 3.000 Nanometer klein, etwa so groß wie ein Bakterium. Damit stehen sie auch auf dem Speisezettel der Fresszellen des Immunsystems. „Sie sind von ihrer Größe her so bemessen, dass sie beim Inhalieren im tiefen Lungengewebe landen. Zudem stellen wir über die Größe sicher, dass nur die Immunzellen, vor allem die Makrophagen, den Transporter aufnehmen“, erläutert Schneider. Die Fresszellen fressen den „Nano-Mais“. Durch ihre Verdauungsprozesse setzen sie den in ihm transportierten Wirkstoff frei: Konkret besteht dieser Wirkstoff aus genetischem Material, das die Funktion der Makrophagen beeinflusst. Die in dieser so genannten Plasmid-DNA enthaltenen „Befehle“ programmieren die Immunzellen so um, dass sie einen erwünschten Therapieeffekt auslösen und zur Heilung beitragen können. Der „Nano-Mais“ sorgt dafür, dass diese Ladung zielgenau im richtigen Zelltyp abgeliefert wird.

Mehrere Jahre arbeiteten die Forscher und ihre Partner daran, die kleinen Transporter im Mikrometer-Maßstab stabil herstellen und passgenau beladen zu können. Schneider und sein Team füllen hierzu Partikel in eine stäbchenförmige Nano-Schablone mit vielen kleinen Löchern: ganz so als würden sie Teig in eine Kuchenform gießen. Es entsteht ein Nano-Röhrchen mit vielen kleinen Kugeln. Damit dieses zusammenhält und nicht auseinanderfällt, verkleben die Forscher die Moleküle Lage für Lage miteinander und verbacken dabei zugleich auch die pharmazeutisch aktiven Substanzen. Wenn die Membran-Schablone sich später auflöst, bleibt der fertig beladene maisförmige Transporter.

Um die Ladung mit der Plasmid-DNA optimal für den Transport zu bemessen und anzupassen, arbeiteten Schneider und sein Team mit Forschern des Leibniz-Instituts für Neue Materialien auf dem Saarbrücker Campus zusammen.

Dass die kleinen Trägersysteme tatsächlich ihre Ladung in die Lungenzellen liefern, konnten die Pharmazeuten zusammen mit Biopharmazeuten der Philipps-Universität Marburg um Professor Udo Bakowsky und Zellbiologen der Saar-Universität aus dem Team von Professor Thomas Tschernig zeigen: Hierzu beluden die Wissenschaftler den „Nano-Mais“ mit genetischem Material, das den Bauplan von so genannter „Luciferase“ enthält: Dieses Enzym ruft eine Leuchtreaktion, eine Biolumineszenz, hervor. Nimmt die Zelle den „Nano-Mais“ mit dieser Ladung auf, produziert sie dieses Enzym und leuchtet. Die Wissenschaftler konnten nach erfolgreichem Transport das Leuchten in den Zellen nachweisen.

Noch ist der Wirkstoff-Transporter Gegenstand der Grundlagenforschung. Aber die Forscher um Marc Schneider entwickeln das Material ihres Wirkstoff-Transporters derzeit für den späteren Einsatz in der Therapie weiter. So könnte der Transporter in nicht ferner Zukunft etwa in der Mukoviszidose-Therapie Einsatz finden.

Publikation:
„Aspherical, Nanostructured Microparticles for Targeted Gene Delivery to Alveolar Macrophages“. Michael Möhwald, Shashank Reddy Pinnapireddy, Bodo Wonnenberg, Marcel Pourasghar, Marijas Jurisic, Andrea Jung, Claudia Fink-Straube, Thomas Tschernig, Udo Bakowsky, Marc Schneider. Advanced Healthcare Materials

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Goldpartikel heilen sich selbst

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.08.2017

Materialien mit Formgedächtnis müssen bislang mühsam aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt werden – Forscher haben jetzt Selbstheilungskräfte bei reinem Gold entdeckt

Selbstheilende Materialien können Schäden wie Kratzer, Risse oder Dellen selbständig reparieren und ihre ursprüngliche Gestalt wieder annehmen. Dafür müssen sie aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden, deren kombinierte Eigenschaften zu den gewünschten Eigenschaften führen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und am Technion – Israel Institute of Technology haben jetzt entdeckt, dass auch winzige Partikel aus reinem Gold über erstaunliche Selbstheilungsfähigkeiten verfügen.

Werkstoffe mit Formgedächtnis auszustatten, ist eine sehr umständliche und mühsame Arbeit. Bei reinen Metallen galten Selbstheilungskräfte, die mechanisch verursachte Schäden reparieren, bislang als unmöglich. Solche haben die Forscher aber jetzt bei reinem Gold beobachtet. Das berichten sie in der Fachzeitschrift Advanced Science.

„Bislang hat man sich bei der Suche nach solchen Werkstoffen auf Kunststoffe aus vielen Bestandteilen und komplizierten Strukturen konzentriert“, konstatiert Christian Brandl am Institut für Angewandte Materialien – Werkstoff- und Biomechanik (IAM-WBM). Deren Selbstheilungskräfte basierten allesamt auf der kollektiven Umwandlung der Phasen eines oder mehrerer Stoffe, aus denen sie zusammengesetzt sind. Etwa durch Erhitzen, Schmelzen oder Fällung, wobei sich die Materialeigenschaften ändern können. Bei Metalllegierungen beruht der Formgedächtniseffekt auf dem Phänomen, dass sie in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können, die von einer bestimmten Temperatur abhängen. Verändert sich diese „erinnern“ sich die Metalle an ihre frühere Formgebung, die sie bei der jeweiligen Temperatur innehatten. Der Selbstheilungseffekt ist weder bei den Verbundstoffen, noch den Legierungen jemals vollständig.

Eine Selbstheilung beziehungsweise ein Formgedächtnis von reinen Metallen, war bislang gänzlich unbekannt. Genau das hat eine internationale Forschergruppe um Dr. Christian Brandl am (KIT) und Eugen Rabkin am Technion – Israel Institute of Technology aber jetzt bei Goldpartikeln beobachtet. Die vielgestaltigen Partikel nahmen dabei nahezu vollständig ihre individuelle ursprüngliche Form wieder an. Irgendeine Verformung gab es nicht. „Das faszinierendste dabei ist, dass die wiederhergestellten Partikelformen nicht der mit der geringsten Oberflächenenergie entsprachen, was zu erwarten gewesen wäre“, sagt Brandl.

Zunächst in Simulationen in Hochleistungsrechnern und dann real mit der Messspitze eines Rasterkraftmikroskops hatten die Forscher den Partikeln mechanische Schäden beigebracht. Sie stellten fest, dass sich durch Ausglühen bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelztemperatur von Gold Goldatome entlang von Oberflächenstufen zurück in die Dellen bewegen und diese fast vollständig wieder auffüllten. Solche Oberflächenstufen treten in vielen verformten Metallen auf. Deshalb rechnet Brandl damit, dass auch andere Metalle über die beobachteten Selbstheilungseigenschaften verfügen. Die Forscher rechnen damit, dass mithilfe ihrer Ergebnisse, robuste Bauteile für Strukturen kleiner als ein tausendstel Millimeter konstruiert werden können. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Molekül aus der Natur macht Akku-Elektrode hochleistungsfähig

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.07.2017

Neuartiges Material auf der Basis des organischen Moleküls Porphyrin ermöglicht im Labor eine Ladezeit von nur einer Minute

Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen alle auf dem Molekül Porphyrin auf. Und auch Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. In der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition stellen nun Forscher des KIT das neue Materialsystem vor, das Basis sein könnte für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht sie für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Professor Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat nun ein neues Speichermaterial vorgestellt, welches die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium Ionen erlaubt. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. Dadurch wird die Struktur der Elektrode im Labor in hohem Maße stabilisiert und mehrere tausende Lade- und Entladezyklen wurden möglich.

Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute. Aktuell betriebene Experimente deuten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lässt und der Speicher neben Lithium auch auf mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden kann.

„Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder von Vitamin B12“, erklärt Fichtner. Man setzt technische Varianten solcher Materialien bereits ein etwa in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken. Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen. „Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt – aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator“, so Fichtner. (ase)

Publikation:
P. Gao, Z. Chen, Zh. Zhao-Karger, J.E. Mueller, Ch. Jung, S. Klyatskaya, T. Diemant, O. Fuhr, T. Jacob, J. Behm, M. Ruben, M. Fichtner, Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage, Angew. Chemie Int. Ed. (2017) doi:10.1002/ange.201702805

Externer Link: www.kit.edu

Kopplung von Nanotrompete mit Quantenpunkt erlaubt exakte Positionsbestimmung

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.07.2017

Wissenschaftlern aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Institutes und des Departement Physik der Universität Basel ist es gelungen, einen winzig kleinen Quantenpunkt mit einem tausendfach grösseren trompetenförmigen Nanodraht zu koppeln. Über die Wellenlänge des Lichts, das vom Quantenpunkt ausgesendet wird, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. Umgekehrt kann durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser die Schwingung des Nanodrahtes beeinflusst werden. «Nature Communications» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Die Teams um Professor Richard Warburton und Argovia-Professor Martino Poggio vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Universität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mechanischen Resonator von Mikrometergrösse mit einem nanometergrossen Quantenpunkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nanodrähte aus Galliumarsenid, die etwa 10 Mikrometer lang sind und oben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufgereihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nanometer breiten Basis platzierten die Wissenschaftler einen einzelnen Quantenpunkt, der einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden kann.

Schwingungen führen zu Spannungen

Schwingt nun der Nanodraht aufgrund einer thermischen oder elektrischen Anregung hin und her, führt die verhältnismässig grosse Masse am breiten Ende der Nanotrompete zu recht grossen Spannungen im Draht, die sich auf den Quantenpunkt an der Basis auswirken. Die Quantenpunkte werden zusammengequetscht und auseinandergezogen. Daraufhin verändert sich die Wellenlänge und damit die Farbe der vom Quantenpunkt ausgesendeten Photonen. Die Veränderungen sind zwar nicht besonders gross, doch eigens für derartige Messungen in Basel entwickelte sensible Mikroskope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellenlängenveränderungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den veränderten Wellenlängen die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser, die Schwingung des Nanodrahtes je nach Wunsch vergrössern oder verringern lässt.

Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie denkbar

«Uns fasziniert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unterschiedlicher Grösse möglich ist», bemerkt Professor Richard Warburton. Es gibt aber auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser gegenseitigen Kopplung. «Wir können diese gekoppelten Nanodrähte beispielsweise als sensible Sensoren zur Analyse von elektrischen oder magnetischen Feldern einsetzen», erläutert Argovia-Professor Martino Poggio, der mit seinem Team verschiedene Anwendungen von Nanodrähten untersucht. «Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quantenpunkte auf dem Nanodraht zu platzieren, diese über die Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben», ergänzt Richard Warburton, dessen Gruppe den vielfältigen Einsatz von Quantenpunkten in der Photonik im Fokus hat.

Künstliche Atome mit besonderen Eigenschaften

Quantenpunkte sind Nanokristalle, die auch künstliche Atome genannt werden, da sie sich ähnlich wie Atome verhalten. Mit einer typischen Ausdehnung von 10 – 100 Nanometern sind sie deutlich grösser als natürliche Atome. Ihre Grösse und Form sowie die Zahl der enthaltenen Elektronen lässt sich variieren. In den Quantenpunkten sind Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit deutlich eingeschränkt. Die daraus resultierenden Quanteneffekte verleihen ihnen ganz besondere optische, magnetische und elektrische Eigenschaften. So sind Quantenpunkte beispielsweise in der Lage nach einer Anregung einzelne Lichtteilchen (Photonen) auszusenden, die dann mithilfe eines massgeschneiderten Lasermikroskops erfasst werden können.

Originalartikel:
Mathieu Munsch, Andreas V. Kuhlmann, Davide Cadeddu, Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Resonant driving of a single photon emitter embedded in a mechanical oscillator
Nature Communications (2017) | DOI: s41467-017-00097-3

Externer Link: www.unibas.ch