Presseinformation der LMU München vom 21.06.2012

Lichtwellen im Kohlenstoff-Netz fangen

Graphen ist das wohl dünnste Netz der Welt – und zeichnet sich doch durch seine Festigkeit aus. Eine neue Studie zeigt, dass dieses zweidimensionale Gitter aus Kohlenstoff-Atomen sogar Licht gefangen nehmen kann.

Dünn, dünner, Graphen: Bei diesem Material ordnen sich Kohlenstoff-Atome zu sechseckigen Maschen in einem nur zweidimensionalen Gitter an. Das wohl dünnste Netz der Welt ist aber sehr stabil und kann sogar Strom leiten. Andre Geim und Konstantin Novoselov erhielten für diese Entdeckung den Nobelpreis für Physik im Jahr 2010. Graphen könnte das Silizium als Basis für außerordentlich kleine und schnelle Transistoren ablösen und wird deshalb intensiv erforscht.

Stromleitend ist Graphen, weil Elektronen in seinem Netz gefangen sind und sich dabei mit großer Freiheit bewegen. Ein internationales Team um den US-amerikanischen Forscher Dimitri Basov hat nun aber gezeigt, dass sich überraschenderweise auch Photonen vom Graphennetz einfangen lassen und auf ihm bewegen. „Die Lichtwellen können dort sogar gesteuert werden“, sagt der Physiker Dr. Fritz Keilmann, der der LMU, dem Center for Nanoscience (CeNS) sowie dem Max Planck Institut für Quantenoptik (MPQ) angehört, und maßgeblich zu dieser Arbeit beigetragen hat.

Computer auch per Licht schalten

Die Steuerung erfolgt direkt über elektrische Felder und Stöme. Demnach könnte künftig in Graphen das Licht durch Strom und möglicherweise auch Strom durch Licht manipuliert werden, und dies auf nanoskopisch kleinen Leitungsbahnen von Millionstel Millimetern und mit extrem kurzen Schaltzeiten von weniger als einer Pikosekunde – also 0,000000000001 Sekunden. „Möglicherweise lassen sich auf dieser Grundlage Computer entwickeln, bei denen Graphen-Transistoren mit Strom wie mit Licht geschaltet werden können“, sagt Keilmann.

Schon länger hatten Berechnungen vermuten lassen, dass Photonen entlang von Graphen geleitet werden können. Es sollte sich dabei um Photonen des langwelligen Infrarotlichts handeln, die dabei aber enorm gebremst laufen würden. Dies wäre ihrer Elektronenlast zu verdanken: Photonen und Elektronen sollten zusammen eine Art Mischteilchen bilden. Diese Plasmonen konnten bislang aber nicht untersucht werden, weil der Impuls der anregenden Photonen viel zu niedrig war.

Photonen auf die Spitze getrieben

Den Durchbruch brachte eine nanometrisch feine Metallspitze, an deren Spitze sich das Infrarotlicht – ähnlich wie bei einem Blitzableiter – konzentriert. Die Infrarot-Photonen bekommen so einen Impuls, der bis zu 60-mal erhöht ist. Sie können sich mit diesem „Schub“ problemlos in Plasmonen umwandeln und von der Metallspitze weg auf dem Graphen „loslaufen“. Die hierfür nötige Apparatur stand bereits in Form eines kommerziellen „Infrarot-Nahfeldmikroskops“ zur Verfügung, dessen feine Abtastspitze normalerweise benutzt wird, um Rasterbilder der chemischen Zusammensetzung aufzunehmen.

In diesem Fall wurde nur ein einziges Rasterbild vom Rand der Graphenprobe aufgenommen. Die Reflektion der Plasmonen an diesem Rand erzeugte ein Interferenzmuster, das die Existenz dieser Mischteilchen ableiten und sogar ihre interessanten Eigenschaften ablesen ließ. Dazu gehören unter anderem die Stärke der Reflektion am Graphenrand sowie eine für Anwendungen besonders wichtige elektrische Geschwindigkeitsänderung. „Die lang gesuchte elektrische Kontrolle von Licht ist damit Realität geworden“, sagt Keilmann.

Eine Arbeitsgruppe in Spanien ist unabhängig zum gleichen Ergebnis gekommen, und zwar für einen aus der Gasphase abgeschiedenen statt dem hier von Graphit abgezogenen Graphenfilm. Ihr Bericht wird in der gleichen Ausgabe des Fachmagazins Nature publiziert werden und so die Befunde sowie deren Bedeutung für die Nanoelektronik bestärken. (suwe)

Publikation:
Nature, 20. Juni 2012

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 10.06.2012

Zur Behandlung verengter Blutgefässe bei Arteriosklerose haben Forscher der Universität und der Universitätskliniken Genf sowie der Universität Basel sogenannte Nanocontainer in Linsenform geschaffen. Diese Nanogefässe können Medikamente transportieren und sie an den Verengungen gezielt freisetzen. Damit lassen sich die Nebenwirkungen der bisherigen Behandlungen weitgehend vermeiden. Die Resultate wurden in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» online veröffentlicht.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen, die durch Arteriosklerose verursacht werden, sind heute weltweit die häufigste Todesursache. In der Schweiz sterben jedes Jahr über 20’000 Menschen daran, was 37% aller Todesfälle entspricht. Bereits im jungen Erwachsenenalter entwickeln sich in den Blutgefässen Ablagerungen. Die entstehenden Verengungen werden in der Regel mit Medikamenten wie Nitroglycerin geweitet. Da sich diese aber auf das ganze Blutsystem auswirken, treten bei den heutigen Therapien massive Nebenwirkungen wie der Abfall des Blutdrucks auf.

Mit den in Genf und Basel neu entwickelten Nanocontainern lässt sich die bisherige Behandlung von Grund auf umgestalten: Die intravenöse Injektion eines gefässerweiternden Medikaments beeinflusst nun lediglich die betroffenen Verengungen und nicht auch die übrigen Arterien und Venen. Damit wird das Absinken des Blutdrucks weitgehend verhindert, was während und nach einem Herzinfarkt gezielt zur angestrebten erhöhten Durchblutung des betroffenen Gefässes führt.

Moleküle umgebaut: Linse statt Kugel

Für ihre Entwicklung nutzen die Wissenschaflter die sogenannten Scherkräfte im Blutstrom aus, die an den Verengungen deutlich höher als in gesunden Blutgefässen sind. Ihre Nanocontainer bewegen sich frei durch den normalen Blutstrom, wobei sie sich durch die erhöhte Scherkraft an den verengten Stellen öffnen und ihren Inhalt, das Medikament, lokal freisetzen. Dafür änderten die Forscher die Zusammensetzung von natürlich vorkommenden Molekülen (Phospholipiden), indem sie die Ester-Bindungen durch Amide ersetzten. Die Moleküle werden danach hydratisiert und erhitzt, sodass sich eine «flüssige» Kugel aus Tausenden von ihnen bildet. Beim Abkühlen dieser Kugeln lassen sich Linsen erzeugen. Der verringerte Ordnungsgrad der Moleküle am Linsenäquator führt zu Sollbruchstellen, was die scherkraftinduzierte Medikamentenfreisetzung ermöglicht.

Die Wissenschaftler, ein interdisziplinäres Team aus Medizinern, Physikern und Chemikern, hatten ein Herz-Kreislauf-System mit einer gesunden und einer verengten Arterie modelliert. Die neuartigen Nanocontainer wurden in dieses System injiziert und Proben genommen. Es zeigte sich, dass die Konzentration des Wirkstoffs an verengten Stellen signifikant höher war als in normalen Gefässen. Damit lassen sich die Effizienz und die lokale Dosis der Medikamente beträchtlich steigern. Dieser richtungsweisende Beitrag zur Nanomedizin eröffnet neue Behandlungsstrategien für die zahlreichen Herz-Kreislauf-Patienten.

Originalbeitrag:
Margaret N. Holme, Illya A. Fedotenko, Daniel Abegg, Jasmin Althaus, Lucille Babel, France Favarger, Renate Reiter, Radu Tanasescu, Pierre-Léonard Zaffalon, André Ziegler, Bert Müller, Till Saxer and Andreas Zumbuehl
Shear-stress sensitive lenticular vesicles for targeted drug delivery
«Nature Nanotechnology» (published online 10 June 2012) | doi 10.1038/NNANO.2012.84

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Presseinformation der LMU München vom 08.03.2012

Kooperation mathematisch auf die Spur kommen

Nach einer etwas naiven Lesart sollte die Darwinsche Evolutionstheorie kooperatives Verhalten nicht erwarten lassen. Schließlich ist soziales Verhalten für das Individuum mit erhöhten Kosten verbunden, während die Gesamtpopulation profitiert. Doch eine soziale Ader lässt sich selbst bei Mikroben finden. So kooperieren etwa manche Bakterien, indem sie Stoffe produzieren, die der gesamten Kolonie zugute kommen – während sich die Kooperatoren selbst langsamer vermehren als ihre „unsozialen“ Artgenossen. Der LMU-Physiker Professor Erwin Frey hat nun mit seinen Mitarbeitern Dr. Jonas Cremer und Dr. Anna Melbinger mithilfe mathematischer Modelle die zugrunde liegenden Mechanismen ergründet. „Kooperation kann durch die Tatsache erklärt werden, dass bakterielle Kolonien stark wachsen und sich immer wieder neu bilden,“ sagt Frey. „Wir haben nun erstmals gezeigt, dass ein einziges kooperatives Bakterium in einer ganzen Population Kooperation etablieren kann.“ Die Studie wurde im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) durchgeführt. (Scientific Reports online, 21. Februar 2012)

Bestimmte Bakterien können einen Stoff produzieren, der die gesamte Kolonie gegen manche Antibiotika resistent macht. Während sich die Kolonie dann schnell vergrößern kann, vermehren sich die kooperierenden Mikroben langsamer. „Wenn sie aussterben, ist das für die Gesamtpopulation schlecht“, sagt Co-Autorin Anna Melbinger. „Der Nachteil eines Kooperators kann aber durch den evolutionären Vorteil der Kolonie kompensiert werden.“

Auf welchen Mechanismen dieses Gleichgewicht beruht, konnte bislang nicht im Detail geklärt werden. Freys Arbeitsgruppe konstruierte ein mathematisches Modell, um das Wachstum von Bakterien in mehreren Kolonien zu simulieren. Die Mikroben  bilden kleine Kolonien, die abhängig vom Anteil an Kooperatoren wachsen. Aus dieser Population können sich neue Kolonien bilden – und der Zyklus beginnt erneut.

Die Analyse des Models deckte nun zwei Mechanismen auf, die Kooperation ermöglichen. So können sich durch Zufall rein kooperative Kolonien bilden, in denen Kooperatoren ihre Vorteile ausspielen, ohne von nicht kooperierenden Bakterien „ausgenutzt“ zu werden. „Gibt es einen hinreichend großen Anteil an Kooperatoren in der Population, können alle nicht kooperierenden Bakterien sogar aussterben“, so Cremer.

Im zweiten Szenario dagegen vermehren sich Kolonien mit einem großen Anteil an Kooperatoren schneller als solche mit wenig „sozial gesinnten“ Individuen. Dieser Mechanismus kann sogar greifen, wenn anfänglich nur wenige Kooperatoren vorhanden sind. Dann aber kann sich möglicherweise eine einzelne, zufällig entstandene kooperative Mutante durchsetzen.

Insgesamt wurde deutlich, dass sich Kooperation stabil in Populationen halten kann, wenn sich Kolonien immer wieder neu bilden und wachsen können. „Wie wir jetzt erstmals mit Hilfe eines mathematischen Modells erklären können, erhalten einzelne Mikroben, die aufgrund zufälliger genetischer Veränderungen zu Kooperatoren geworden sind, auf diesem Weg die Chance, in der gesamten Population kooperatives Verhalten dauerhaft zu etablieren“, sagt Frey. (CR/suwe)

Publikation:
„Growth dynamics and the evolution of cooperation in microbial populations“
Jonas Cremer, Anna Melbinger & Erwin Frey,
Scientific Reports online, 2, 281 (21. Februar 2012).
doi: 10.1038/srep00281

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.02.2012

Biopolymer-Film lässt sich kostengünstig und umweltverträglich mit Informationen beschreiben

Ein neuartiger Biopolymer-Film aus Lachs-DNA mit Silber-Nanopartikeln speichert Informationen kostengünstig und umweltverträglich. Entstanden ist das organische System in fächer- und länderübergreifender Zusammenarbeit von Wissenschaftlern des DFG-Centers for Functional Nanostructures (CFN) am KIT und des Institute of Photonics Technologies an der National Tsing Hua University in Taiwan. Der DNA-Datenspeicher eignet sich unter anderem für biotechnische Anwendungen, etwa als Bauteil in Biosensoren.
 
Das System besteht aus einer dünnen Schicht der DNA eines Lachses, die mit Silbersalzen versetzt und zwischen zwei Elektroden eingebettet ist. Wird es mit UV-Licht stimuliert, bilden sich Silber-Nanopartikel, durch die Strom fließen kann. So entsteht ein Biopolymer-Film, auf den sich Daten schreiben lassen. Der Speicher lässt sich einmal beschreiben und mehrmals auslesen (WORM – Write-Once-Read-Many-Times). In der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ stellen die Forscher ihre Entwicklung vor.
 
„Dieser DNA-basierte Speicher ist kostengünstiger als herkömmliche Speicher, die aus anorganischen Materialien wie Silizium bestehen“, erklärt Dr. Ljiljana Fruk, die am CFN eine interdisziplinäre Forschungsgruppe für DNA-Nanotechnologie, Biofunktionalisierung und Design von lichtgesteuerten Nanobauteilen leitet. „Außerdem ist er recycelbar, und die Rohstoffe sind in der Natur reichlich vorhanden.“

Bei niedriger Spannung fließt nur geringer Strom durch den DNA-Silber-Biopolymer-Film. Diesen Zustand interpretieren die Forscher als logische Null. Ab einer bestimmten Grenzspannung aber bilden sich freie Ladungsträger, die einen höheren Stromfluss verursachen, was von den Wissenschaftlern als logische Eins interpretiert wird. Diese Leitfähigkeit lässt sich, wenn sie einmal erreicht ist, auch durch eine Änderung der Spannung nicht mehr rückgängig machen – einmal eingeschaltet, bleibt das System aktiv, egal welche Spannung anliegt. Auch nach 30 Tagen lässt sich die Leitfähigkeit noch nachweisen. Die Information bleibt also erhalten.
 
Die Herstellung des neuartigen DNA-Datenspeichers verbindet aktuelle Erkenntnisse aus der DNA-Nanotechnologie mit Erfahrungen aus der Fertigung herkömmlicher Polymer-Bauteile. Die Forscher erwarten Anwendungen ihres Systems als optische Speicher oder auch in sogenannten plasmonischen Bauteilen. Plasmonen sind nanometergroße elektronische Anregungen in Metallen. „Die Forschung zu DNA als Biopolymer steht allerdings noch ziemlich am Anfang“, erklärt Ljiljana Fruk. „In naher Zukunft werden sich daher noch weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.“ (or)
 
Publikation:
Yu-Chueh Hung, Wei-Ting Hsu, Ting-Yu Lin, and Ljiljana Fruk: Photoinduced write-once-read-many-times memory device based on DNA biopolymer nanocomposite. Applied Physics Letters, 2011. [DOI:10.1063/1.3671153]

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der TU München vom 31.01.2012

Neue Anwendungen für Graphen:

Hauchdünn, stabiler als Stahl und vielseitig einsetzbar: das Material Graphen hat zahlreiche interessante Eigenschaften. So ist es derzeit der Star unter den elektrischen Leitern. Photodetektoren auf Graphen-Basis können Lichtsignale oder auch elektrische Signale extrem schnell verarbeiten und weiterleiten. So führt die optische Anregung von Graphen in Pikosekunden (10-12 Sek) zur Entstehung eines Photostroms. Bisher fehlte eine entsprechend schnelle Methode, um Abläufe wie diese in Graphen nachweisen zu können. Professor Alexander Holleitner und Dr. Leonhard Prechtel am Walter Schottky Institut der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, die zeitliche Dynamik des Photostroms messbar zu machen.

Graphen wirkt auf den ersten Blick eher schlicht: das Material besteht ausschließlich aus Kohlenstoffatomen, die in einem einschichtigen „Teppich“ angeordnet sind. Doch für Wissenschaftler ist unter anderem die extrem hohe Leitfähigkeit von Graphen besonders reizvoll. Diese Eigenschaft ist unter anderem hilfreich für die Entwicklung von Photodetektoren. Dabei handelt es sich um Bauteile, die Strahlung detektieren und in elektrische Signale umwandeln können.

Mit Hilfe des hoch leitfähigen Graphen arbeiten Wissenschaftler daran, ultraschnelle Photodetektoren zu konstruieren. Allerdings war es bisher nicht möglich, das optische und elektronische Verhalten von Graphen zeitaufgelöst zu bestimmen. Das heißt zu klären, wie lange es von der elektrischen Anregung des Graphen bis zur Generierung des entsprechenden Photostroms dauert.

Dieser Frage widmeten sich Alexander Holleitner und Leonhard Prechtel am Walter Schottky Institut der TU München, zugleich Mitglieder des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Die Physiker entwickelten zunächst eine Methode, mit der sie den durch Bestrahlung mit kurzen Laserpulsen entstehenden Photostrom in Graphen-Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich hinein untersuchen können. Damit können sie nun Pulse von einer Länge von 10-12 Sekunden detektieren.

Kern der untersuchten Photodetektoren ist frei tragendes Graphen, das über metallische Kontakte elektronisch in Schaltkreise eingebunden ist. Die zeitliche Dynamik des Photostroms bestimmen die Physiker mit Hilfe von sogenannten koplanaren Streifenleitungen, die sie über ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren auswerten, die Pump-Probe Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls Elektronen im Graphen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit einem zweiten Laser verfolgt. Auf diese Weise können die Physiker genau nachvollziehen, wie der Photostrom im Graphen erzeugt wird.

Die neue Methode ermöglichte den Wissenschaftlern zeitgleich noch eine weitere Beobachtung: Sie konnten belegen, dass Graphen nach optischer Anregung Strahlung im Terahertz (THz)-Bereich aussendet. Die Frequenz dieser Strahlung liegt zwischen dem Frequenzbereich von Infrarotlicht und Mikrowellenstrahlung. Als Besonderheit besitzt THz-Strahlung Eigenschaften beider angrenzender Bereiche: Sie lässt sich bündeln wie Licht, und durchdringt Materie ähnlich wie elektromagnetische Wellen. Dadurch eignet sie sich beispielsweise zur Materialprüfung, zum Durchleuchten von Paketen oder für medizinische Anwendungen.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich und des Center for NanoScience (CeNS). An der Publikation wirkten außerdem Physiker der Universität Regensburg, der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich, der Rice University und der Shinshu University mit.

Originalpublikation:
Time-resolved ultrafast photocurrents and terahertz generation in freely suspended graphene
Leonhard Prechtel, Li Song, Dieter Schuh, Pulickel Ajayan, Werner Wegscheider, Alexander W. Holleitner,
Nature Communications, 31. Januar 2012
DOI: 10.1038/ncomms1656

Externer Link: www.tu-muenchen.de