Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.05.2011

CFN-Wissenschaftler am KIT realisieren optische Tarnung im für Menschen wahrnehmbaren Bereich des Lichts

„Mit den eigenen Augen etwas Unsichtbares zu sehen, ist eine spannende Erfahrung“, so Joachim Fischer und Tolga Ergin. Die beiden Physiker haben am Center for Functional Nanostructures (CFN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in der Arbeitsgruppe von Professor Martin Wegener fast ein Jahr daran gearbeitet, die Struktur der Karlsruher Tarnkappe so zu verfeinern, dass sie auch in einem für den Menschen sichtbaren Bereich des Lichts wirkt.

Tarnkappen funktionieren, indem Lichtwellen in ihrem Material so gelenkt werden, dass sie die Tarnkappe wieder verlassen, als ob sie nie mit dem zu tarnenden Objekt in Berührung gekommen wären – das Objekt ist somit für den Betrachter unsichtbar. Die exotischen optischen Eigenschaften des Tarnmaterials werden mit komplexen mathematischen Werkzeugen berechnet, die denen der Einsteinschen Relativitätstheorie ähneln.

Erreicht werden diese durch eine spezielle Strukturierung des Tarnmaterials. Sie muss kleiner als die Wellenlänge des Lichts sein, das abgelenkt werden soll. So kann beispielsweise für die relativ großen Rundfunk- oder Radarwellen ein Material verwendet werden, „das fast mit der Nagelschere produziert werden kann“, so Wegener. Bei Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, müssen dagegen Materialien mit Strukturierung im Nanometerbereich hergestellt werden.

Die winzige Tarnkappe, die Fischer und Ergin nun erzeugt haben, ist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie lässt eine Wölbung in einem Metallspiegel flach erscheinen und dadurch ein darunter verstecktes Objekt unsichtbar werden. Das Metamaterial, das über diese Wölbung gelegt wird, sieht wie ein Holzstapel aus, besteht jedoch aus Kunststoff und Luft. Die „Holzscheite“ verfügen über präzise festgelegte Stärken im Bereich von 100 Nanometern. Durch sie werden Lichtwellen, die die Wölbung normalerweise ablenkt, so beeinflusst und geführt, dass das reflektierte Licht dem eines flachen Spiegels entspricht.

„Würden wir es noch mal schaffen, den Strukturierungsabstand des roten Tarnmantels zu halbieren, hätten wir eine Tarnkappe, die das ganze sichtbare Lichtspektrum abdeckt“, so Fischer.

Bereits im vergangenen Jahr präsentierte die Gruppe Wegener in der renommierten Fachzeitschrift Science die erste 3D Tarnkappe. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es lediglich Tarnkappen in Wellenleitern, die praktisch zweidimensional waren. Sobald man aus der dritten Dimension auf die Struktur schaute, war die Wirkung dahin. Die Karlsruher Tarnkappe konnte mit einer entsprechend filigranen Strukturierung für einen Wellenlängenbereich von 1500 bis 2600 Nanometern konstruiert werden. Dieser Wellenlängenbereich ist für das menschliche Auge noch nicht wahrnehmbar, spielt jedoch in der Telekommunikation eine große Rolle. Den Durchbruch ermöglichte das am CFN entwickelte Verfahren des Direkten Laser Schreibens (DLS). Mit diesem Verfahren können winzige 3D-Strukturen mit optischen Eigenschaften erzeugt werden, die es in der Natur nicht gibt – sogenannte Metamaterialien.

Die KIT-Wissenschaftler verbesserten im vergangenen Jahr das ohnehin schon extrem feine Verfahren des Direkten Laser Schreibens weiter. Dabei benutzten sie Methoden aus der Mikroskopie, welche dort zu fundamentalen Auflösungsverbesserungen geführt haben. Damit hatten sie das entscheidende Werkzeug zur Hand, das Metamaterial um einen Faktor 2 zu verfeinern und so die erste 3D-Tarnkappe für unpolarisiertes sichtbares Licht im Bereich von 700 Nanometern zu realisieren. Dies entspricht der Farbe rot.
 
„Die nun entwickelte Tarnkappe ist ein attraktives Demonstrationsobjekt für die fantastischen Möglichkeiten, welche das recht neue Gebiet der Transformationsoptik und ihrer Metamaterialien offeriert. In den vergangenen Jahren haben sich hier Gestaltungsspielräume eröffnet, die lange für nicht möglich gehalten wurden“, so Ergin. „Wir erwarten dramatische Verbesserungen in den lichtbasierten Technologien, wie Linsen, Solarzellen, Mikroskopen, Objektiven, der Chip-Herstellung und der Datenkommunikation.“ (te)
 
Literatur:
J. Fischer, T. Ergin, and M. Wegener, „Three-dimensional polarization-independent visible-frequency carpet invisibility cloak“, Optics Letters, in press

Externer Link: www.kit.edu

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.04.2011

Nach über 100 Jahren ist es einem internationalen Forschungsteam unter Mitwirkung des an der Universität Basel angesiedelten Nationalen Forschungsschwerpunktes (NFS) Nanowissenschaften erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung im Experiment zu untersuchen und zu bestätigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden kürzlich in der renommierten Wissenschaftszeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht.

Bereits im Jahr 1827 beobachtete der britische Botaniker Robert Brown unter seinem Mikroskop, dass sich kleine Partikel aus Pflanzenpollen im Wasser ruckartig und unvorhersehbar bewegen. 1905 erklärte Albert Einstein im Rahmen seiner Doktorarbeit, dass diese Bewegung durch Zusammenstösse der Partikel mit den umgebenden Wassermolekülen zustande kommt. Während die beobachteten Zellbestandteile mikroskopisch zu sehen sind, bleiben die Wassermoleküle bei der Auflösung eines Lichtmikroskops unsichtbar. Ihr Effekt auf die freien Bestandteile der Pollenkörner im Wasser ist jedoch zu beobachten. Indirekt lieferte Einstein mit seiner Theorie den Beweis für die Existenz von Molekülen und Atomen, lange bevor diese experimentell nachgewiesen oder dargestellt werden konnten. Aufgrund von zahlreichen thermodynamischen Überlegungen wurde Einsteins Theorie in den vergangenen hundert Jahren mehrfach indirekt bestätigt. Der Effekt der Wassermoleküle auf die Bewegung der suspendierten Teilchen konnte jedoch bisher nie direkt gemessen werden, da es technisch nicht möglich war, diese Bewegungen auf kleinstem Raum bei Zeiten im Nanosekundenbereich zu verfolgen.

Einem internationalen Team unter Mitwirkung des NFS Nanowissenschaften ist es nun erstmals gelungen, Einsteins Theorie zur Brownschen Molekularbewegung direkt zu verifizieren. Die Forscherinnen und Forscher entwickelten eine optische Laserfalle, mit der sie ein einzelnes Teilchen einfangen können. Dank eines neuartigen Detektors liessen sich dann die Bewegungen dieses einzelnen Teilchens verfolgen. Die gemessenen Daten stimmten in hervorragender Weise mit den theoretischen Vorhersagen überein.

Nationaler Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften

Der Nationale Forschungsschwerpunkt (NFS) Nanowissenschaften ist ein langfristiges, an der Universität Basel angesiedeltes interdisziplinäres Forschungsprojekt, das sich mit Strukturen und Phänomenen im Nanometerbereich beschäftigt und Impulse für Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie geben möchte. Innerhalb des NFS fungiert die Universität Basel als Kompetenzzentrum. Die Nationalen Forschungsschwerpunkte sind ein Förderinstrument des Schweizerischen Nationalfonds. Seit 2006 ist der NFS Nanowissenschaften Bestandteil des Swiss Nanoscience Instituts an der Universität Basel.

Originalbeitrag:
Rongxin Huang, Isaac Chavez, Katja M. Taute, Branimir Lukic, Sylvia Jeney, Mark G. Raizen, Ernst-Ludwig Florin
Direct observation of the full transition from ballistic to diffusive Brownian motion in a liquid
Nature Physics (27 March 2011), doi:10.1038/nphys195

Externer Link: www.unibas.ch

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.03.2011

CFN-Wissenschaftler entwickeln ein Zweikomponenten-Polymergerüste für die kontrollierte drei-dimensionale Zellkultur

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es Forschern des DFG-Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) gelungen, gezielt Zellen auf dreidimensionalen Strukturen zu kultivieren. Das Faszinierende dabei: Den Zellen werden Mikrometer kleine „Griffe“ am Gerüst angeboten, an denen sie anhaften können – und zwar nur an diesen, am restlichen Gerüst finden sie keinen Halt. Dadurch wird die Zellhaftung und somit die Zellform erstmalig präzise in 3D beeinflusst. Damit ist dem Team um Professor Martin Bastmeyer ein großer Fortschritt im Bereich des Biomaterial-Engineerings gelungen.

Bisher existieren bereits zahlreiche Ansätze für die Zellkultur in dreidimensionalen Umgebungen, die meist aus Agarose, Kollagenfasern oder Matrigel hergestellt werden. Sie sollen die flexible dreidimensionale Wirklichkeit, in der Zellen normalerweise agieren, simulieren und damit realitätsnähere Versuche ermöglichen, als dies mit Zellkulturen in „zweidimensionalen Petrischalen“ möglich ist. Allerdings ist diesen Ansätzen bisher eines gemeinsam: Sie sind meist heterogen zusammengesetzt und weisen zufällige Porengrößen auf. Daher sind sie strukturell und biochemisch schlecht charakterisiert.

Ziel für die Forschungsgruppe Bastmeyer war es nun, definierte dreidimensionale Wachstumssubstrate für die Zellkultur zu entwickeln. Zellen sollen sich darin nicht zufällig, sondern nur an bestimmten Stellen anheften. So lassen sich Parameter wie Zellform, Zellvolumen, intrazelluläre Kraftentwicklung oder zelluläre Differenzierung systematisch in Abhängigkeit von der äußeren Geometrie der Umgebung bestimmen. Diese Erkenntnisse sind nützlich, um später gezielt dreidimensionale Wachstumsumgebungen für Gewebekulturen, die beispielsweise in der regenerativen Medizin benötigt werden, in größerem Maßstab herzustellen.

Dieses Ziel wurde mithilfe eines speziellen Polymergerüsts verwirklicht. Das Gerüst selbst besteht aus einem flexiblen, proteinabweisenden Polymer mit kleinen quaderförmigen Griffen aus einem proteinbindenden Material. Den Gerüstbau vollzogen die Wissenschaftler mithilfe des am CFN von den Physikern Professor Martin Wegener und Prof. Dr. Georg von Freymann entwickelten Verfahrens des Direkten Laserschreibens (DLS). Mit diesem war es möglich, eine proteinabweisende Struktur zu fabrizieren, die aus 25µm hohen Pfosten besteht, die in unterschiedlichen Höhen mit dünnen Sprossen verbunden sind. In einem zweiten Lithograpie-Schritt wurden dann die Haftgriffe exakt in der Mitte der Sprossen platziert. Mit Hilfe einer Lösung von Haftungsproteinen binden die Proteine nur an diesen kleinen Griffen. Einzelne Zellen besiedeln dann innerhalb von zwei Stunden das Gerüst und adhärieren nur an den vorgegeben Haftpunkten.
 
Mit dieser Grundlagenforschung haben die Wissenschaftler des CFN in Karlsruhe erstmalig geeignete Materialien angefertigt, in dem das Wachstum einzelner Zellen gezielt dreidimensional kontrolliert und manipuliert werden kann. Dies ist ein wichtiger Schritt zum allgemeinen Verständnis, wie die natürliche dreidimensionale Umgebung im Gewebe das Verhalten von Zellen beeinflusst. (te)

Literatur:
Klein, F., Richter, B., Striebel, T., Franz, C. M., Freymann, G. v., Wegener, M. and Bastmeyer, M., Two-Component Polymer Scaffolds for Controlled Three-Dimensional Cell Culture. Advanced Materials, Volume 23, Issue 11, pages 1341-1345, March 18, 2011, DOI: 10.1002/adma.201004060

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der TU München vom 07.03.2011

Geschwindigkeitsbestimmung von Elektronen in nano-Photodetektoren:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind vielversprechende Elemente für optoelektronische Bauteile. Bisher fehlten jedoch elektronische Methoden, um die optischen und elektronischen Eigenschaften der Nanoröhrchen zeitaufgelöst zu analysieren. Ein Team von Physikern um Professor Alexander Holleitner von der Technischen Universität München (TUM) hat jetzt eine Methode entwickelt, mit der sie unmittelbar messen können, wie schnell sich Elektronen in diesen extrem kleinen Photodetektoren bewegen.

Nanoröhrchen aus Kohlenstoff haben eine Vielzahl außergewöhnlicher Eigenschaften. Sie sind vielversprechende Kandidaten für optoelektronische Bauteile. Doch bisher ist es extrem schwierig, ihre optischen und elektronischen Eigenschaften zu analysieren und zu beeinflussen. Nun gelang es Wissenschaftlern um Professor Alexander Holleitner, Physiker an der TU München und Mitglied des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), eine Messmethode zu entwickeln, die eine zeitliche Auflösung des sogenannten Photostroms in Photodetektoren bis in den Pikosekundenbereich ermöglicht.

„Eine Pikosekunde ist ein sehr kleines Zeitintervall“, erläutert Alexander Holleitner. „Wären die Elektronen mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs, so kämen sie in einer Sekunde fast bis zum Mond. In einer Pikosekunde kämen sie dagegen nur etwa einen Drittel Millimeter weit.“ Die neue Messtechnologie ist rund hundert Mal schneller als die bestehenden Methoden. So können die Wissenschaftler um Professor Alexander Holleitner nun die Geschwindigkeit der Elektronen genau messen. In den Kohlenstoff-Nanoröhrchen legen die Elektronen in einer Pikosekunde nur etwa 8 Zehntausendstel Millimeter oder 800 Nanometer zurück.

Kern des untersuchten Photodetektors sind Kohlenstoff-Röhrchen mit einem Durchmesser von nur etwa einem Nanometer, die über metallische Kontakte elektronisch eingebunden sind. Die Geschwindigkeit der Elektronen bestimmen die Physiker mit Hilfe von koplanaren Streifenleitungen, die sie über ein spezielles zeitaufgelöstes Laser-Spektroskopie-Verfahren auswerten, die Pump-Probe Technik. Hierbei werden mit einem Laserpuls Elektronen in den Kohlenstoff-Nanoröhrchen angeregt und die Dynamik dieses Prozesses mit einem zweien Laser verfolgt.

Die neuentwickelte Methode liefert zahlreiche Erkenntnissen und neue Analysemöglichkeiten, die für eine Reihe von Anwendungen interessant sind. Dazu gehört vor allem die Weiterentwicklung optoelektronischer Bauteile wie nanoskalige Photodetektoren, Photoschalter und Solarzellen.

Die Arbeit wurde unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM) und des Center for NanoScience (CeNS) an der Ludwig-Maximilians-Universität München. An der Publikation wirkten außerdem Physiker der Universität Regensburg und der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich mit.

Originalpublikation:
Time-Resolved Picosecond Photocurrents in Contacted Carbon Nanotubes, Leonhard Prechtel, Li Song, Stephan Manus, Dieter Schuh, Werner Wegscheider, Alexander W. Holleitner, Nano Letters 2011, 11 (1), pp 269-272, DOI: 10.1021/nl1036897

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 30.11.2010

Erstmalig stellen Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Universität Basel (UB) elektronische Bauelemente aus einzelnen Molekülen her und regen diese zum Leuchten an.

Die Arbeit der Forscherteams um den Chemiker Prof. Marcel Mayor (KIT und UB) und den Physikern Dr. Ralph Krupke (KIT) und Prof. Hilbert v. Löhneysen (KIT) stellt einen wichtigen Beitrag dar für die Entwicklung neuer optoelektronischer Bauelemente auf Basis einzelner Moleküle. In diesem Verfahren werden maßgeschneiderte Moleküle mit Leuchtkern zwischen Nanoröhrenelektroden aus Kohlenstoff platziert und elektrisch angesteuert. Als Nachweis der molekularen Elektrolumineszenz dient der spektroskopische Fingerabdruck des Moleküls. Sowohl die Moleküle als auch die Elektroden aus Kohlenstoff-Nanoröhren wurden von den Forschern eigens für dieses Verfahren entwickelt.

Molekulare Elektronik befasst sich mit dem Ladungstransport durch Moleküle. Langfristiges Ziel ist die Entwicklung molekularer Schaltkreise für leistungsfähige und energieeffiziente Computer. Die aktuelle Arbeit weist nach, dass einzelne, fest verdrahtete Moleküle elektrisch zum Leuchten angeregt werden können – diese für die Grundlagenforschung wichtige Erkenntnis erweitert die Vision der molekularen Elektronik um eine optoelektronische Komponente.

Für die Forscher bestand die besondere Herausforderung darin, sogenannte bottom-up Strukturen (Moleküle) in top-down Strukturen (Elektroden) zu integrieren und dabei die kritischen Abmessungen zu beherrschen. Um Ladungstransport und Lichtemission zu ermöglichen, müssen die elektronischen und optischen Eigenschaften von Molekül und Nanoröhrenelektroden aufeinander abgestimmt sein.

Die von den Teamkollegen Dr. Sergio Grunder und Dr. Alfred Błaszczyk synthetisierten 7.5nm langen stäbchenförmigen Moleküle mit lichtaktiven Kern und die von Dr. Frank Hennrich in der Arbeitsgruppe von Prof. Manfred Kappes (KIT) aufbereiteten Kohlenstoff-Nanoröhren erfüllten diese Anforderungen. Durch kontrollierte strominduzierte Oxidation gelang es Dr. Christoph W. Marquard, Nanoröhren-Elektroden mit winziger Lücke (<10nm) zu erzeugen. Die in Lösung befindlichen Moleküle werden dann mittels Dielektrophorese, einer Feld-induzierten Form der Selbstorganisation, zwischen die Nanoröhrenelektroden abgeschieden.

Für die ausreichende Stabilität der Nanoröhren-Molekül-Nanoröhren Kontakte sorgen spezielle Ankergruppen an den Molekülenden. Wird an einen solchen Kontakt eine Spannung von einigen Volt angelegt, leuchtet das Molekül. Mit Hilfe eines empfindlichen Mikroskopaufbaus konnten die Forscher dieses Licht detektieren und nachweisen, dass es aus dem Kern des Moleküls emittiert wird. Die Arbeit erscheint als Advanced Online Publication (AOP) in der renommierten Zeitschrift Nature Nanotechnology. (tp)

Literatur:
Christoph W. Marquardt, Sergio Grunder, Alfred Błaszczyk, Simone Dehm, Frank Hennrich, Hilbert v. Löhneysen, Marcel Mayor, and Ralph Krupke: Electroluminescence from a single nanotube-molecule-nanotube junction. Nature Nanotechnology, published online 28. November 2010 | doi 10.1038/NNANO.2010.230

Externer Link: www.kit.edu