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

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

Presseinformation der LMU München vom 25.10.2011

Nanodrähte sind heterogener als vermutet

Der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronik sind mit den gängigen Verfahren technische Grenzen gesetzt. Filigrane anorganische Halbleiter-Nanodrähte könnten in der Zukunft diese Limitierung überwinden helfen und sind auch für Anwendungen im Bereich der Optoelektronik und Photovoltaik hoch interessant. Bisher sind die physikalischen Eigenschaften dieser Nanostrukturen allerdings nur schlecht verstanden. „Optische Untersuchungen an Nanodrähten wurden bisher fast ausschließlich mit konventioneller Mikroskopie durchgeführt, deren räumliche Auflösung begrenzt ist“, berichtet Professor Achim Hartschuh von der Fakultät für Chemie und Pharmazie der LMU. Eine von seiner Gruppe mit entwickelte Rastersonden-Methode brachte nun die entscheidende Verbesserung: die sogenannte optische Antenne. Dabei handelt es sich um eine laserbeleuchtete scharfe Metallspitze, die die optischen Signale einzelner Nanostrukturen verstärkt – und so Einblicke in höchster Auflösung erlaubt.

Mithilfe dieser Methode konnte Hartschuh erstmals optische Messungen an einzelnen Nanodrähten durchführen, bei denen Photolumineszenz und  Ramanstreuung der Nanodrähte auf einer Längenskala von weniger als 20 Nanometern aufgelöst wurden. Sowohl Photolumineszenz als auch Ramanstreuung sind sehr empfindliche optische Methoden, um Materialeigenschaften zu charakterisieren, indem die Wechselwirkung des untersuchten Materials mit Licht untersucht wird.  Während die Photolumineszenzenergie Aussagen über durchmesserabhängige Quanteneffekte ermöglicht – Lichtteilchen gehören zur Quantenwelt – liefern Ramanspektren Informationen über die chemische Struktur der Drähte. „Offen war bisher, wie sich diese Eigenschaften auf einer Längenskala von wenigen Nanometern entlang der Nanodrähte verhalten“, sagt Hartschuh, der auch dem „Center for NanoScience“ (CeNS) der LMU sowie dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) angehört. „Mithilfe der Antennen-verstärkten Nahfeldmikroskopie konnten wir diese Lücke nun schließen und zu unserer Überraschung ausgeprägte Energievariationen entlang einzelner Nanodrähte beobachten“, berichtet Hartschuh. Diese Variationen weisen auf größere optische Heterogenitäten der Nanodrähte hin, die mit herkömmlichen Methoden nicht nachweisbar waren. „Unsere Ergebnisse unterstreichen damit die breite Anwendbarkeit der von uns mit entwickelten Antennen-verstärkten Nahfeldmikroskopie“, betont Hartschuh, der die Entwicklung neuer hochauflösender Spektroskopiemethoden im Rahmen des vom European Research Council (ERC) geförderten Projekts NEWNANOSPEC weiterführen wird. (göd)

Publikation:
Optical Imaging of CdSe Nanowires with Nanoscale Resolution
M. Böhmler, Z. Wang, A. Myalitsin, A. Mews, A. Hartschuh
Angewandte Chemie. Article first published online: 13 OCT 2011
DOI: 10.1002/anie.201105217

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 30.10.2011

Zur Versorgung der Menschen in den thailändischen Überschwemmungsgebieten mit trinkbarem Wasser hat das Auswärtige Amt am Freitag 40 Wasserrucksäcke vom Typ PAUL (Portable Aqua Unit für Lifesaving) auf den Weg in das ostasiatische Land geschickt.

Die tragbaren Wasseraufbereitungs- anlagen wurden am Mittag von Mitarbeitern des Technischen Hilfswerks (THW) bei der Universität Kassel in Empfang genommen. Das THW ist für den Transport nach Thailand zuständig. Es ist geplant, dass der Staatsminister im Auswärtigen Amt, Dr. Werner Hoyer, MdB, die 40 Wasserrucksäcke in der nächsten Woche in Bangkok an thailändische Hilfsorganisationen übergibt.

PAUL wurde von einem Team des Fachgebiets Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel um Prof. Dr. Franz-Bernd Frechen entwickelt. Der Wasserrucksack wiegt nur rund 20 Kilogramm und kann von Trägern oder Lasttieren selbst in Dörfer transportiert werden, zu denen keine Straßen mehr existieren. Auch das Absetzen vom Hubschrauber aus ist möglich. PAUL ist daher vor allem für die Versorgung entlegener oder durch eine Überschwemmung isolierter Ortschaften geeignet.

Der Wasserrucksack arbeitet ohne Energie und Zusatz von Chemikalien. Herzstück der Anlage ist eine Membran mit Öffnungen in Nanogröße, die Wassermoleküle durchlassen, Bakterien und Parasiten aber wirksam aus dem Wasser herausfiltern. Das schützt vor zahlreichen lebensbedrohlichen Krankheiten, die oft durch verunreinigtes Trinkwasser ausgelöst werden. Im Dauerbetrieb ist ein Wasserrucksack in der Lage, pro Tag 1.200 Liter Wasser zu filtern. Dies reicht aus für die Versorgung von bis zu 400 Menschen. PAUL wurde bereits erfolgreich während der Flutkatastrophe in Pakistan 2010, zur Bekämpfung der Cholera-Epidemie in Haiti sowie während der vergangenen Monate in den Dürre-Gebieten Ostafrikas eingesetzt. Die ersten Wasserrucksäcke sind seit über einem Jahr erfolgreich im Einsatz.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 19.10.2011

KIT-Forscher entwickeln neues Konzept für wiederaufladbare Batterien

Ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien haben Forscher des KIT entwickelt. Basierend auf einem Fluorid-Shuttle – der Übertragung von Fluorid-Anionen zwischen den Elektroden – verspricht es ein Mehrfaches der Speicherkapazität, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien möglich ist. Auch die Betriebssicherheit lässt sich erhöhen, da auf Lithium verzichtet werden kann. In der Zeitschrift „Journal of Materials Chemistry“ stellen Dr. Maximilian Fichtner und Dr. Munnangi Anji Reddy die Fluorid-Ionen-Batterie erstmals vor.

Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet – doch ihre Speicherkapazität ist begrenzt. In Zukunft werden, vor allem für mobile Anwendungen, Batteriesysteme mit höherer Energiedichte gefragt sein, die bei geringerem Gewicht mehr Energie speichern können. Wissenschaftler des KIT forschen daher auch an alternativen Systemen. Ein völlig neues Konzept für Sekundärbatterien, das auf Metallfluoriden basiert, haben Dr. Maximilian Fichtner, Leiter der Gruppe Energiespeichersysteme, und Dr. Munnangi Anji Reddy am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT entwickelt.

Metallfluoride lassen sich einerseits als Konversionsmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien einsetzen. Sie ermöglichen aber auch lithiumfreie Batterien mit fluoridhaltigem Elektrolyten, Anode aus Metall und Kathode aus Metallfluorid, die eine deutlich höhere Speicherkapazität und verbesserte Sicherheitseigenschaften aufweisen. Dabei übernimmt das Fluorid-Anion anstelle des Lithium-Kations den Ladungstransfer. An Kathode und Anode kommt es jeweils zur Bildung eines Metallfluorids oder zu dessen Reduktion. „Da sich mehrere Elektronen pro Metallatom übertragen lassen, erlaubt dieses Konzept außerordentlich hohe Energiedichten – bis zu zehn Mal so hoch wie bei gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien“, erklärt Dr. Maximilian Fichtner.

Die KIT-Forscher arbeiten nun daran, Materialdesign und Batteriearchitektur weiterzuentwickeln, um die Anfangskapazität sowie die Zyklenfestigkeit der Fluorid-Ionen-Batterie zu verbessern. Eine weitere Herausforderung liegt in der Weiterentwicklung des Elektrolyten: Der bis jetzt eingesetzte Feststoffelektrolyt eignet sich nur für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen. Ziel ist daher, einen geeigneten Flüssigelektrolyten zur Anwendung bei Raumtemperatur zu finden. (or)

Veröffentlichung:
M.Anji Reddy and M. Fichtner: Batteries based on fluoride shuttle. Journal of Materials Chemistry. 2011, Advance Article. DOI: 10.1039/C1JM13535J.

Externer Link: www.kit.edu