23.12.2011 von PaulWutz.

Pressemitteilung der TU München vom 11.12.2011

Gezielter Protonentransfer in einem Molekül:

Miniaturisierung ist seit langem das Zauberwort in der Elektronik. Ins Extreme getrieben hat sie jetzt ein Physikerteam um Dr. Willi Auwärter und Professor Johannes Barth von der Technischen Universität München (TUM), die in der Publikation „Nature Nanotechnology“ einen neuartigen molekularen Schalter vorstellen. Entscheidend für die Funktionsweise des Schalters ist die Position eines einzelnen Protons in einem Porphyrinring mit einem Innendurchmesser von weniger als einem halben Nanometer. Vier unterschiedliche Zustände können die Wissenschaftler hier gezielt einstellen.

Porphyrine sind ringförmige Moleküle, die sehr flexibel ihre Struktur ändern können und sich deshalb für vielfältige Anwendungen eignen. Das Tetraphenylporphyrin ist keine Ausnahme: Es nimmt gerne eine Sattelform an und wird bei der Verankerung auf metallischen Oberflächen nicht in seiner Funktionalität eingeschränkt. Im Inneren des Moleküls befindet sich ein Paar von Wasserstoffatomen, die ihre Position zwischen zwei Konfigurationen wechseln können. Dieser Prozess findet bei Raumtemperatur unentwegt und rasend schnell statt.

Für ihr Experiment unterdrückten die Wissenschaftler diese spontane Bewegung, indem sie die Probe kühlten. So konnten sie den gesamten Vorgang im Einzelmolekül mit einem Rastertunnelmikroskop induzieren und beobachten. Das Mikroskop ist dafür besonders geeignet, weil es – im Gegensatz zu anderen Methoden – nicht nur Anfangs- und Endzustand festhalten kann; sondern es erlaubt den Physikern, die Wasserstoffatome direkt anzusteuern. In einem weiteren Schritt entfernten sie nun gezielt eines der beiden Protonen im Inneren des Porphyrinrings. Das Verbleibende kann daraufhin vier unterschiedliche Schalterpositionen besetzen. Ein winziger Strom, der durch die feine Spitze des Mikroskops fließt, stimuliert den Protonentransfer und stellt so eine bestimmte Konfiguration ein.

Die jeweiligen Positionen des Wasserstoffatoms beeinträchtigen zwar weder die grundsätzliche Struktur des Moleküls noch die Bindung an die metallische Oberfläche, dennoch sind die Zustände nicht völlig identisch. Dieser kleine, aber feine Unterschied und die Tatsache, dass der Vorgang beliebig wiederholbar ist, definieren einen Schalter, der sich mit bis zu etwa 500 Einstellungen pro Sekunde steuern lässt. Ausgelöst wird der Protonentransfer dabei von einem einzigen Tunnelelektron.

Das Schaltermolekül hat eine Fläche von einem Quadratnanometer und ist damit die kleinste bislang realisierte atomistische Schalteinheit. Die Physiker sind mit der Demonstration hochzufrieden, und freuen sich außerdem über die Einblicke in den Mechanismus der Protonenübertragung, die sie mit ihren Studien gewinnen konnten. Knud Seufert hat hierbei maßgebliche Experimente durchgeführt: “Einen vierfachen Schalter zu betätigen, indem man ein einzelnes Proton innerhalb eines Moleküls bewegt, ist wirklich faszinierend, und ein echter Schritt hin zu Technologien auf der Nanoskala.”

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt, No. 247299), des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und des Institute for Advanced Study der TU München.

Originalpublikation:
Willi Auwärter, Knud Seufert, Felix Bischoff, David Ecija, Saranyan Vijayaraghavan, Sushobhan Joshi, Florian Klappenberger, Niveditha Samudrala, and Johannes V. Barth A surface-anchored molecular four-level conductance switch based on single proton transfer Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, 11 December 2011

Externer Link: www.tu-muenchen.de

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19.12.2011 von PaulWutz.

Presseinformation der LMU München vom 12.12.2011

Anwendungen in Chemie und Industrie denkbar

Zeolithe sind poröse Materialien, die dank ihrer gleichförmigen Poren und ihrer großen inneren Oberfläche wie Molekularsiebe wirken und etwa zur Luftfilterung und Reinigung von Wasser eingesetzt werden – nicht zuletzt auch zur Säuberung des radioaktiv verseuchten Meerwassers bei Fukushima. Weitere wichtige Anwendungen finden sich in der Katalyse sowie bei der Auftrennung und Adsorption von Stoffen. Einem Forscherteam um Professor Svetlana Mintova vom Laboratoire Catalyse et Spectrochimie im französischen Caen und den LMU-Chemiker Professor Thomas Bein ist es nun gelungen, einen der wichtigsten stabilen Zeolithe mit sehr großen Poren („EMT“) auf sehr einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Weise herzustellen. Zeolithe bestehen aus Aluminium-, Silizium- und Sauerstoffatomen, können aber auf vielfältige Weise chemisch modifiziert werden. Über 200 Zeolithe sind bereits bekannt. Die neuen Zeolith-Nanokristalle könnten in ganz neuartigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Das Projekt wurde unter anderem durch das Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) gefördert. (Science online, 8. Dezember 2011)

Viele Zeolithe benötigen teure organische Agentien („Template“) in der Herstellung – was nun bei der neuartigen Synthese von EMT nicht mehr nötig ist. Dazu kommt, dass der Vorgang fast bei Raumtemperatur und in sehr kurzer Zeit abläuft, was die Synthese deutlich vereinfacht. „Dieser Syntheseweg erzeugt die bislang kleinsten Zeolith-Nanokristalle mit der großporigsten Struktur“, sagt Bein. „Das ist für Anwendungen sehr attraktiv, weil Moleküle kurze Wege haben, um in die Zeolithe einzudringen, wo dann die katalytischen Reaktionen ablaufen.“

Aber auch aus Umweltgesichtspunkten ist die Synthese der ultrakleinen EMT-Zeolithe von Vorteil, weil die Prozedur sehr viel weniger aufwändig ist, und auch keine Template mehr benötigt werden. „Wir vermuten, dass die ultrakleinen Zeolithe in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen werden“, so Bein. „Denkbar ist dies unter anderem bei der Katalyse mit großen Molekülen, bei der selektiven Adsorption von Stoffen und beim Design von Nanostrukturen wie ultradünnen Filmen, Membranen und chemischen Sensoren.“ (suwe)

Publikation:
„Capturing Ultrasmall EMT Zeolite from Template-Free Systems”;
Eng-Poh Ng, Daniel Chateigner, Thomas Bein, Valentin Valtchev, Svetlana Mintova;
Science online, 8. Dezember 2011;
doi: 10.1126/science.1214798

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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02.12.2011 von PaulWutz.

Presseinformation der Universität Göttingen vom 30.11.2011

Wissenschaftler aus Göttingen und Israel entdecken neue Eigenschaft von Motorproteinen

(pug) Bestimmte Enzyme, die bei der Zellteilung für den Transport von Chromosomen zuständig sind, können sowohl ihre Geschwindigkeit als auch ihre Laufrichtung ändern. Das haben Wissenschaftler des DFG-Forschungszentrums und Exzellenzclusters „Molekularphysiologie des Gehirns“ an der Universität Göttingen sowie der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel herausgefunden. Die Forscher widerlegten damit die bisherige Annahme, dass jedes dieser sogenannten Motorproteine auf eine bestimmte Laufrichtung vorprogrammiert sei. Die neuen Erkenntnisse lassen die Nanometer-großen „Bio“-Maschinen weit leistungsfähiger und vielseitiger erscheinen als bislang vermutet. Die Forschungsergebnisse erscheinen am Mittwoch, 14. Dezember 2011, in der Fachzeitschrift The EMBO Journal und wurden schon jetzt online veröffentlicht.

Die Zellteilung ist ein zentraler Vorgang bei der Entwicklung von Organismen. Während der „normalen“ Zellteilung werden die zuvor verdoppelten Chromosomen der Mutterzelle auf die Tochterzellen verteilt. Dieser genau regulierte Prozess wird angetrieben durch spezialisierte Enzyme. Bisher glaubte man, dass diese Motorproteine fest programmiert sind und sich auf molekularen Schienen nur in eine bestimmte Laufrichtung bewegen können – wobei ein Typ von Motor eine Bewegung in Richtung der Zellränder erzeugt, ein anderer in Richtung Zellmitte. In Bierhefezellen konnten die Wissenschaftler nun nachweisen, dass ein und derselbe Zellteilungsmotor sowohl in die eine als auch in die andere Richtung laufen kann, in Richtung der Zellränder sogar bis zu zehn Mal schneller als andere bekannte Mitglieder dieser Enzym-Familie. Die Forscher in Göttingen und Israel nutzten bei ihrer Arbeit hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie, mit der sie einzelne Moleküle sowohl in den Hefezellen als auch in einer künstlichen Umgebung beobachten konnten.

„Ein detailliertes Verständnis biologischer Motoren während der Zellteilung ist wichtig sowohl für die elementare Zellbiologie als auch für die Krebsforschung und für die biologisch inspirierte Nanotechnologie“, erläutert Prof. Dr. Christoph Schmidt vom III. Physikalischen Institut der Universität Göttingen. „Ein besonders interessanter Aspekt unserer Ergebnisse ist die Tatsache, dass die bi-polaren Motoren genau in dem Moment in den langsamen Vorwärtsgang schalten, in dem sie helfen, die Chromosomen auseinanderzuschieben.“

Originalveröffentlichung:
Gerson-Gurwitz et al. Directionality of individual kinesin-5 Cin8 motors is modulated by loop 8, ionic strength and microtubule geometry. The EMBO Journal 2011. Doi: 10.1038/emboj.2011.403.

Externer Link: www.uni-goettingen.de

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16.11.2011 von PaulWutz.

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2011

Hundertprozentige Sicherheit gibt es nicht? Doch, gibt es. Und zwar auf dem Gebiet der Quanteninformation, der Signalübertragung mit einzelnen Lichtteilchen. Nun haben Wissenschaftler um Professor Christoph Becher einen winzigen Lichtspeicher aus Diamant hergestellt, mit dem sie die Erzeugung der benötigten einzelnen Lichtteilchen deutlich steigern konnten. Die Herstellung der extrem kleinen Lichtspeicher – oder Resonatoren – auf der Nanometerskala erfolgte in einer interdisziplinären Kooperation mit Saarbrücker Materialwissenschaftlern und Physikern der Universitäten Augsburg, Freiburg und Kaiserslautern. Mit der Demonstration der Diamant-Lichtspeicher haben die Forscher die Grundlagen für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der Quantenkommunikation verbessert. Denn Wissenschaftler können nun daran forschen, wie sie diesen Lichtspeicher, der aus Diamantspiegeln besteht, mit anderen Komponenten verbinden. So könnte in der Zukunft ein Diamant-Chip entwickelt werden, der eine Quantenkommunikation realistisch macht, die der heutigen Technologie in Sachen Sicherheit und Geschwindigkeit weit überlegen ist. Über die Entwicklung des Lichtspeichers berichten die Physiker im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology.

Der verwendete Diamant wird künstlich hergestellt und hat annähernd ideale Eigenschaften, was Reinheit und Transparenz angeht. Zur Fabrikation dieser Lichtkäfige wurde zuerst eine nur 300 Nanometer dünne Membran präpariert. Um den Diamanten für das ausgesandte Licht hochreflektierend zu machen und so die Erzeugungsrate der Lichtteilchen oder Photonen massiv zu erhöhen, wird eine sogenannte photonische Kristallstruktur verwendet. Dazu haben Janine Riedrich-Möller und Laura Kipfstuhl sowie weitere Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Quantenoptik um Professor Christoph Becher in die Diamantmembran Löcher mit etwa 80 Nanometern Durchmesser „gebohrt“. Das entspricht etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Durch mehrfache Reflexionen (so genannte Bragg-Reflexionen) an den Lochseitenwänden werden die von Atomen im Diamant ausgesandten Lichtteilchen, also die Informationsträger, wie in einem Käfig in der Mitte der Lochstruktur gespeichert.

Zur Erzeugung der Lichtteilchen selbst verwenden die Wissenschaftler so genannte Farbzentren. Das sind Fremdatome, die fest in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet sind. Im Gegensatz zu „echten“ Atomen sind diese Farbzentren deutlich einfacher zu handhaben und erfordern weder aufwändige Vakuumanlagen noch komplizierte Kühlmechanismen um Lichtteilchen mit den gewünschten Eigenschaften auszusenden.

Die Realisierung der Nano-Resonatoren gilt als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung sowie für die Integration mehrerer Komponenten, um Lichtteilchen auf einem einzigen Chip zu erzeugen und zu übertragen. Das grundlegende Konzept der Saarbrücker Physiker bildet die Basis für zukünftige Experimente, in denen die Emission der Photonen kontrolliert, ihre Eigenschaften beeinflusst und Lichtteilchen mehrerer entfernter Farbzentren miteinander in Wechselwirkung gebracht werden sollen. Diese Schritte rücken die Vision einer Quanteninformationstechnologie, basierend auf einem Diamant-Chip, in greifbare Nähe.

Veröffentlichung:
Janine Riedrich-Möller, Laura Kipfstuhl, Christian Hepp, Elke Neu, Christoph Pauly, Frank Mücklich, Armin Baur, Michael Wandt, Sandra Wolff, Martin Fischer, Stefan Gsell, Matthias Schreck and Christoph Becher: „One- and two-dimensional photonic crystal microcavities in single crystal diamond”, Nature Nanotechnology, online ab 13. November.

Externer Link: www.uni-saarland.de

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11.11.2011 von PaulWutz.

Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.11.2011

Forscher der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts konnten im Nanomassstab zeigen, wie sich Karies auf die menschlichen Zähne auswirkt. Ihre Studie eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung von Zahnschäden, bei denen heute nur der Griff zum Bohrer bleibt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nanomedicine» veröffentlicht.

Bei Karies, der häufigsten Zahnerkrankung, greifen von Bakterien produzierte Säuren die Zähne an und lösen die in Zahnschmelz, Zahnbein (Dentin) und Wurzelzement vorhandenen Mineralien heraus. Solange der äussere Zahnschmelz intakt ist, lassen sich erste Schadstellen durch Fluoridpräparate und durch eine gute Zahnhygiene in begrenztem Mass remineralisieren. Was beim Zahnschmelz noch teilweise funktioniert, gilt aber nicht für das Zahnbein: Sind die Bakterien und Säuren einmal tiefer ins Dentin eingedrungen, muss der Zahnarzt die betroffene Stelle weiträumig mit dem Bohrer entfernen, bevor der Zahn mit einer Füllung rekonstruiert werden kann.

Remineralisierung des Dentins angestrebt

Das Zahnbein besteht nicht nur aus keramischen Komponenten, sondern enthält etwa zu einem Fünftel auch organisches Material. Bereits früher wurde vermutet, dass diese organischen Bestandteile – insbesondere bestimmte Struktureiweisse (Kollagen) – von einer Schädigung unberührt bleiben und dass ihre Struktur Ausgangspunkte für eine Remineralisierung bieten könnte. Um diese Hypothese zu überprüfen, nutzten die Forscher um Prof. Bert Müller vom Biomaterials Science Center der Universität Basel eine Röntgenstreumethode, um die Kollagendichte von gesunden und kariösen Zahnstellen miteinander zu vergleichen.

Dazu zersägten die Forscher gesunde und kariöse Zähne in dünne Scheibchen von 0,2 bis 0,5 Millimeter und untersuchten sie mithilfe eines als ortsaufgelöste Kleinwinkelröntgenstreuung (Scanning Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) bezeichneten Verfahrens. Bei der Untersuchung stellten sie fest, dass die Kariesbakterien zunächst nur die keramischen Komponenten des äusseren Zahnschmelzes und des darunter liegenden Zahnbeins zerstören. Hingegen bleibt in einem frühen bis mittlerem Kariesstadium ein erheblicher Teil des kollagenen Grundgerüsts des Zahns erhalten.

Die Wissenschaftler vermuten deshalb, dass ihr Verfahren künftig nicht nur die Entwicklung biomimetische Zahnfüllungen ermöglichen wird, sondern dass auch Kariesbehandlungen entwickelt werden können, welche auf dem unbeschädigten Kollagengerüst aufbauen und die Remineralisierung des geschädigten Dentins beispielsweise mit Nanopartikeln erlauben.

Originalbeitrag:
Hans Deyhle, Oliver Bunk, Bert Müller
Nanostructure of healthy and caries-affected human teeth
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine (in press) | doi: 10.1016/j.nano.2011.09.005

Externer Link: www.unibas.ch

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