Eine Frage der Lage

Presseinformation der LMU München vom 13.11.2017

Wie LMU-Physiker zeigen, lassen sich die lichtemittierenden und photokatalytischen Eigenschaften winziger Kohlenstoff-Nanokügelchen durch exakte Positionierung von Stickstoffatomen präzise einstellen.

Kohlenstoffkügelchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern – sogenannte C-Dots – besitzen ungewöhnliche optische Eigenschaften, die sie für eine Reihe von technologischen Anwendungen, von der solaren Energieumwandlung bis hin zur medizinischen Bildgebung, hochinteressant machen. Darüber hinaus haben C-Dots im Vergleich zu ähnlichen Materialien den Vorteil, dass sie stabil und einfach herzustellen sind und keine toxischen Schwermetalle enthalten. Ob bestimmte C-Dots die für die Bildgebung relevante Lichtemission zeigen oder eher die für die Energieumwandlung wichtigen photokatalytischen Eigenschaften besitzen, hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer komplexen inneren Struktur ab. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher allerdings schlecht verstanden. LMU-Physiker um Dr. Jacek Stolarczyk haben diese Zusammenhänge untersucht und zeigen, dass die Eigenschaften der C-Dots durch chemische Modifikationen auf einfache Weise beeinflusst werden können. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Communications.

„Bisher wurden C-Dots typischerweise vor allem mithilfe des Trial-and-Error-Prinzips optimiert“, sagt Stolarczyk. „Um dies zu verbessern, ist ein genaueres Verständnis der Mechanismen essenziell, auf denen die optischen Eigenschaften der C-Dots beruhen.“ Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTEch) durch, das vom Freistaat Bayern großzügig gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen – und zwar idealerweise mithilfe von reichlich vorhandenen und ungiftigen Materialien“, erklärt Professor Jochen Feldmann, der Leiter des SolTech-Projekts. C-Dots sind für derartige Anwendungen ideal geeignet.

Die Nanokügelchen bestehen aus verschiedenen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren komplexes Zusammenspiel ihre optischen Eigenschaften bestimmt. Für ihre Studie stellten die Wissenschaftler C-Dots her, indem sie ein Gemisch aus Zitronensäure und einem stickstoffhaltigen verzweigten Polymer mit Mikrowellen bestrahlten. Dabei variierten sie die Konzentration des Polymers, sodass unterschiedliche Mengen an Stickstoff in die Nanokügelchen eingebaut wurden. Insbesondere die Art, wie der Stickstoff eingebaut wurde, variierte je nachdem, wie viel Stickstoff zur Verfügung stand.

„Unsere Untersuchungen zeigten, dass die chemische Umgebung der eingebauten Stickstoffatome die Eigenschaften der C-Dots entscheidend beeinflusst“, sagt Dr. Santanu Bhattacharyya, der Erstautor der Veröffentlichung und Alexander-von-Humboldt Fellow am Lehrstuhl von Jochen Feldmann. Der Einbau in den inneren Bereichen graphenartiger Strukturen, wie er bei mittleren Polymerkonzentrationen gefunden wurde, führte zu Nanokügelchen, die bei entsprechender Anregung hauptsächlich Fluoreszenz im blauen Spektralbereich zeigen. Dagegen führte der Einbau an Randpositionen, wie er für sehr hohe und sehr niedrige Polymermengen auftrat, zur Unterdrückung der Lichtemission und stattdessen zu effektiver photokatalytischer Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Durch kleine Variationen der Syntheseprozedur können diese Eigenschaften also fein gesteuert werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre neuen Erkenntnisse die Einsatzmöglichkeiten von C-Dots als fluoreszierende Lichtquelle oder für Anwendungen in der Energieumwandlung voranbringen werden.

Publikation:
Nature Communications 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

3D-Mikrodruck: Sicherheit für Produkte, Pässe und Geld

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.10.2017

Fälschungen und Produktpiraterie schaden Gesellschaft und Wirtschaft – 3D-Mikrostrukturen können Sicherheit erhöhen – KIT-Forscher entwickeln hierfür innovative fluoreszierende 3D-Strukturen

Sicherheitsmerkmale sollen Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschungen schützen. Denn etwa Verluste durch Produkt- und Markenpiraterie können enorm sein: Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau beziffert allein für seine Branche die entstandenen Schäden für das Jahr 2016 auf 7,3 Milliarden Euro. Um die Fälschungssicherheit zu erhöhen, schlagen Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie und der Firma ZEISS in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies nun vor, statt auf gängige 2D-Strukturen, wie zum Beispiel Hologramme, auf 3D-gedruckte Mikrostrukturen zu setzen.

„Heutzutage basieren optische Sicherheitsmerkmale, zum Beispiel Hologramme, häufig auf zweidimensionalen Mikrostrukturen“, erklärt Professor Martin Wegener, Experte für 3D-Druck von Mikrostrukturen am Institut für Nanotechnologie des KIT. „Durch die Verwendung von 3D-gedruckten fluoreszierenden Mikrostrukturen kann die Fälschungssicherheit erhöht werden.“ Die neuen Sicherheitsmerkmale haben eine Seitenlänge von rund 100 Mikrometern und sind mit dem bloßen Auge oder einem herkömmlichen Mikroskop kaum noch zu erkennen. Für ihre Herstellung und Anwendung haben Wegener und sein Team ein innovatives Verfahren entwickelt, das vom Aufbau der Mikrostrukturen bis hin zum Auslesen der Informationen den gesamten Prozess umfasst.

Die Mikrostrukturen bestehen aus einem 3D-Stützgitter und Punkten, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren und innerhalb dieses Gitters variabel in drei Dimensionen angeordnet werden können. Um solche Mikrostrukturen aufbauen und drucken zu können bedienen sich die Experten eines schnellen und präzisen Laserlithographie-Gerätes, das von der Firma Nanoscribe – einem Spinoff des KIT – entwickelt und verkauft wird. Es erlaubt voluminöse Strukturen höchste Präzision auf einigen Millimetern Kantenlänge oder mikrostrukturierte Oberflächen mit Ausdehnungen bis in den Quadratzentimeterbereich.

Der spezielle 3D-Drucker baut die Strukturen Schicht für Schicht aus einem nicht fluoreszierenden und zwei fluoreszierenden Fotolacken auf. Dabei durchfährt ein Laserstrahl sehr präzise Punkte im flüssigen Fotolack. Lediglich genau am Fokuspunkt des Laserstrahls wird das Material belichtet und härtet aus. Die dabei entstehende filigrane Struktur wird anschließend in ein transparentes Polymer eingebettet, das sie vor Schäden schützen soll.

„Auf diese Weise produzierte Sicherheitsmerkmale sind nicht nur individuell aufgebaut, sondern auch komplex in der Herstellung. Dies alles macht Fälschern das Leben schwer“, erklärt Frederik Mayer vom Institut für Nanotechnologie des KIT. Das neue Verfahren ist zudem leicht erweiterbar und vielfältig anwendbar. Denkbar ist zum Beispiel, dass die 3D-Merkmale als eingebettete Folie in Sicherheitsetiketten zum Einsatz kommen, die unter anderem Pharmazeutika, Autoersatzteile oder Handy-Akkus vor Fälschungen schützen sollen, oder dass sie in die Sichtfenster von Geldscheinen integriert werden. Für spätere Echtheitsüberprüfungen an der Supermarktkasse oder in der Werkshalle bedarf es dann spezieller Auslesegeräte, die in der Lage sind fluoreszierende 3D-Strukturen zu erkennen. (sur)

Publikation:
Advanced Materials Technologies

Externer Link: www.kit.edu

Unter Beobachtung

Presseinformation der LMU München vom 18.09.2017

Auf dem Weg zu smarten Nanomaschinen: LMU-Chemiker haben eine neue Synthese entwickelt, um die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen und so seinen Mechanismus genau analysieren zu können.

LMU-Chemiker um Dr. Henry Dube haben eine Methode entwickelt, die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen. „In unserer Arbeit haben wir die Geschwindigkeit unseres molekularen Motors soweit reduziert, dass wir seine lichtgetriebene gerichtete Rotationsbewegung nun genau nachverfolgen können“, sagt Dube, der eine Emmy-Noether-Gruppe leitet. Die Ergebnisse erscheinen im Journal Angewandte Chemie.

Der neue molekulare Schalter basiert wie ein von Dube bereits 2015 in Nature Communications beschriebener Motor auf dem Molekül Hemithioindigo, das eine Kohlenstoff-Doppelbindung hat. Bei Lichteinfluss verändert das Molekül seine Struktur und rotiert um seine Doppelbindung in eine Richtung. Dabei reicht weniger energiereiches Licht aus als es bei den meisten molekularen Motoren nötig ist, sodass der molekulare Motor aus Dubes Labor flexibler eingesetzt werden kann. Um die Drehung zu verlangsamen, haben Dube und sein Team nun eine neue Synthese entwickelt, die in fünf Schritten zum Hemithioindigo-Motor führt. Die neue Synthese ermöglicht es, große Reste in die Struktur einzufügen, die zu einer langsameren Drehung führen. So lassen sich alle vier Zwischenprodukte beobachten und damit die gerichtete Drehung des Motors beweisen.

Die Forschung von Henry Dube ist wesentlich für die Entwicklung molekularer Bauteile für sogenannte Nanomaschinen, künstliche Maschinen in der Größenordnung von Molekülen. Je genauer sich deren Bestandteile im Labor kontrollieren lassen, desto mehr Funktionen können sie ausführen. Die Möglichkeit, die Drehung des Hemithioindigo-Motors zu verlangsamen, macht ihn nun interessant für die Anwendung in der Katalyse oder auch für die Entwicklung von „smart materials“, intelligenten Werkstoffen, die sich gezielt steuern lassen.

Publikation:
Angewandte Chemie International Edition 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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

Externer Link: www.uni-muenchen.de

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

Externer Link: www.uni-saarland.de