Pressemitteilung der Universität Würzburg vom 17.07.2009

Computer, die ohne Kühlung auskommen? Noch gibt es sie nicht. Doch Physiker von der Universität Würzburg bereiten ihnen den Weg: Im US-Wissenschaftsmagazin „Science“ präsentieren sie einen Halbleiter, der elektrischen Strom leitet und dabei nicht warm wird.

Der neuartige Halbleiter besteht aus Quecksilber-Tellurid und Quecksilber-Cadmium-Tellurid. In einem ausgeklügelten Verfahren bringen die Würzburger Physiker diese beiden Materialien abwechselnd in hauchzarten Schichten auf pfenniggroße Kristallplättchen auf. „Die einzelnen Lagen sind nur sieben bis zehn Nanometer dünn“, sagt Professor Laurens Molenkamp. Unvorstellbar schlank also: Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.

Winzigen Draht modelliert

Um die Leitfähigkeit des geschichteten Materials zu analysieren, modellierten die Physiker mit lithographischen Techniken aus seiner Oberfläche Strukturen heraus. Sie ließen dort sozusagen winzige Drähte entstehen, beispielsweise in H-Form.

„Zu erwarten war, dass das Material unter bestimmten Umständen, zum Beispiel bei sehr tiefen Temperaturen, zum Isolator wird. So ist es bei allen herkömmlichen Halbleitern der Fall“, erklärt Professor Hartmut Buhmann, der im Team von Molenkamp arbeitet.

Material reagierte anders als erwartet

Überrascht waren die Physiker, als sich ihr Material anders verhielt: Die Elektronen sammelten sich an den Rändern der H-förmigen Struktur. Dort konnten sie sich zudem bewegen – ohne jeglichen Widerstand und damit ohne Wärmeentwicklung. Diese Besonderheit liege einzig und allein in den Materialien und der Art ihrer Schichtung begründet, sagen die Physiker. Die Form der Struktur – ob H oder X – sei belanglos.

Für Anwendungen noch nicht reif

Reif für den Alltag ist der neuartige Halbleiter allerdings nicht: Der Effekt tritt nur bei sehr tiefen Temperaturen auf, unterhalb von minus 170 Grad Celsius. Darum wollen die Würzburger Forscher nun andere Materialien entwickeln, die den Effekt bei deutlich höheren Temperaturen zeigen.

„Wismut-Verbindungen wollen wir dafür nehmen“, sagt Laurens Molenkamp. Doch zuerst gelte es, an einem Verfahren zu tüfteln, mit dem sich auch diese Materialien sauber und hauchdünn aufeinanderschichten lassen.

Cool bleiben ist wichtig für Computer

Wenn Computer in Betrieb sind, werden sie warm. Zu hohe Temperaturen aber beeinträchtigen die Funktionsfähigkeit ihrer Chips – Abkühlung ist also angesagt. Dafür sorgen rotierende Lüftungsrädchen am PC oder Klimaanlagen in großen Rechnerräumen. Sehr leistungsfähige Rechner sind heute schon mit Wasserkühlung ausgestattet.

Die Wärme ist also ein Faktor, der die Entwicklung schnellerer Computer deutlich begrenzt. Denn um eine größere Leistungsfähigkeit zu erreichen, werden auf die Chips immer mehr Transistoren gepackt, die immer schneller arbeiten müssen. „Dann fließt über die Chips aber auch mehr Strom, und so heizen sich die Bauteile immer stärker auf“, erklärt Hartmut Buhmann. Bauelemente, die Strom leiten und dabei keine Wärme produzieren, könnten darum der Weiterentwicklung von Computern einen kräftigen Schub geben. (Robert Emmerich)

Literatur:
Nonlocal Transport in the Quantum Spin Hall State, Andreas Roth, Christoph Brüne, Hartmut Buhmann, Laurens W. Molenkamp, Joseph Maciejko, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Science, 17. Juli 2009, Vol. 325, Nr. 5938, Seiten 294-297, DOI: 10.1126/science.1174736

Externer Link: www.uni-wuerzburg.de

Presseinformation der LMU München vom 20.07.2009 

Mikroskop zeigt Nanofähren auf dem Weg in die Zelle

Nanopartikel sind nur Millionstel Millimeter groß und können aufgrund ihrer vielfältigen, oft noch unbekannten Eigenschaften ganz neuartige Produkte liefern. In der medizinischen Therapie etwa sollen winzige Nanofähren Wirkstoffe oder auch Gene in Zellen schleusen. Ob solche Ansätze gelingen, zeigte im Test bislang allerdings nur der Erfolg – wenn etwa das transportierte Gen in der Zelle auf gewünschte Weise aktiv wurde. Unter der Leitung des LMU-Physikochemikers Christoph Bräuchle konnte ein Forscherteam in Kooperation mit Privatdozent Dr. Christian Plank von der TU München nun aber eine hochempfindliche mikroskopische Technik einsetzen, die einzelne Nanopartikel auf ihrem Weg in die Zelle verfolgt – in Echtzeit sowie in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Untersucht wurden magnetische Nanopartikel, die unter anderem in der Krebstherapie zum Einsatz kommen könnten. Die hochempfindliche Methode soll künftig auch ein besseres Verständnis bereits bestehender Nanovektoren sowie die Entwicklung neuer Systeme erlauben. Die Studie ist die Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Journal of Controlled Release“. (Journal of Controlled Release, 20. Juli 2009)

Nanopartikel sind so klein, dass viele Barrieren im Körper für sie kein Hindernis darstellen. Sie können sich auch über den Blutkreislauf im ganzen Körper verteilen. Deshalb sollen die synthetischen Teilchen in Zukunft Medikamente gezielt zum Krankheitsherd im Körper bringen. „Auch Gene ließen sich wohl auf diesem Weg transportieren“, sagt Plank. „Damit könnten in der von Rückschlägen geplagten Gentherapie weitere Durchbrüche erzielt werden. Denn noch immer fehlt es in erster Linie am passenden Transporter.“ Bislang kamen vor allem Viren als Vehikel zum Einsatz, die aber auch in entschärftem Zustand unerwünschte Nebenwirkungen auslösen können.

Die Nanofähren dagegen würden maßgeschneidert produziert und könnten im günstigsten Fall, so die Hoffnung vieler Forscher und Ärzte, ihre genetische Fracht oder den Wirkstoff zielgerichtet und ohne Nebenwirkungen ans Ziel bringen. Für eine solche „Targeted Delivery“ benötigen die Nanofähren aber eine Art Suchsystem, das sie zu den Zielstrukturen führt. Magnetische Teilchen werden etwa in der Krebstherapie erprobt: Sie könnten per Infusion verabreicht und dann über ein Magnetfeld zum Tumor dirigiert werden. Dort sollen sie dann gezielt in die Tumorzelle eindringen. Für eine mögliche Zulassung und etwa auch für die Dosisbestimmung muss aber bekannt sein, auf welchem Weg und wie effizient Nanopartikel im Körper transportiert und von den Tumorzellen aufgenommen werden.

Bislang fehlte jede Möglichkeit, die Nanopartikel auf ihrem Weg, insbesondere in die lebende Tumorzelle, zu verfolgen. Erst das Auftreten oder Ausbleiben der therapeutischen Wirkung zeigte, ob ein Ansatz Erfolg versprach oder nicht. „Das ist wie eine Black Box“, sagt Bräuchle. „Man gibt vorne was rein und wartet ab, ob hinten was rauskommt. Was in der Zwischenzeit passiert, lässt sich nicht überprüfen.“ In seinem Arbeitskreis wurde nun die hochempfindliche Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um den Weg von Nanofähren zu verfolgen. Bei diesem hochempfindlichen Verfahren werden einzelne Partikel mit einem Farbstoff markiert, der wie eine „molekulare Lampe“ den Weg der Partikel in die Zelle hinein sichtbar macht.

„Wir haben auf diese Weise magnetische Lipoplex-Nanopartikel verfolgt und ihren Transport in Form von Filmen aufgezeichnet“, berichtet Anna Sauer, die Erstautorin der Studie. „Wir konnten die Partikel auf ihrem Weg in die Zelle mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Echtzeit beobachten.“ Dabei ließen sich einzelne Phasen unterscheiden: Wie das Teilchen die Zellmembran erreicht, sich dort niederlässt und schließlich – eingeschlossen in ein Membranvesikel – in das Zellinnere gelangt. Dort bewegt sich das Vesikel ungerichtet und oft auch in ungewöhnlicher Weise, bis es von einem sogenannten Motorprotein aufgegriffen und schnell Richtung Zellkern transportiert wird, dem Zielort für das Gen.

Die einzelnen Etappen dieses Weges können die Forscher nun charakterisieren und detailliert beschreiben. „Das neue Verfahren hat auch Engpässe im Transport der Nanofähren offengelegt“, berichtet Bräuchle. „So konnten wir etwa sehen, dass das Magnetfeld die Partikel nur außerhalb der Zellen dirigieren kann. Den Eintritt in die Zellen erleichtert es aber wider Erwarten nicht. Dank der neuen Einsichten können die bestehenden Nanofähren in Zukunft entsprechend optimiert und auch neue Systeme entwickelt werden.“ (suwe)

Die Arbeiten wurden im Rahmen der Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) durchgeführt.

Publikation:
„Dynamics of magnetic lipoplexes studied by single particle tracking in living cells“
A.M. Sauer, K.G. de Bruin, N. Ruthardt, O. Mykhaylyk, C. Plank, C. Bräuchle,
Journal of Controlled Release, 20. Juli 2009

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruhe Institute of Technology) vom 29.06.2009

Karlsruher Forscher synthetisieren Nano-Materialien mit DNA

Das ist der Traum jedes Ingenieurs, der regelmäßig strukturierte Materialien mit kleinsten Poren benötigt: ein Klebstoff, der winzige Partikel nicht nur zusammenhält, sondern sie auch selbständig im richtigen Abstand in Kontakt bringt. Wissenschaftler um die Professoren Clemens Richert und Stefan Bräse am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun einen solchen Stoff als „Biokleber“ entwickelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ChemBioChem veröffentlicht (2009, 10, 1335-1339).

Um dreidimensionale Gitter mit Poren im Nanometer-Bereich (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) aufzubauen, knüpfen sie extrem kurze Stücke von einsträngiger Desoxyribonukleinsäure (DNA), die von der Natur ursprünglich als Träger der genetischen Information entwickelt wurde, an ein sternförmiges Molekül. Wie im Erbgut der Lebewesen lagern sich jeweils zwei DNA-Einzelstränge, die aufgrund der Abfolge ihrer Bausteine zueinander komplementär sind, zu einem Doppelstrang zusammen. An jedem Zentralmolekül sind vier dieser „klebrigen“ DNA-Enden wie die Ecken eines Tetraeders angeordnet. Sie können sich daher mit jeweils vier anderen Molekülen verbinden. Durch Selbstorganisation entsteht so eine komplexe räumliche Gitterstruktur mit neuen Eigenschaften.

Poröse Materialien spielen als Katalysatoren, Speichermedien und strukturgebende Komponenten, beispielsweise in der Technik oder der Medizin, eine wichtige Rolle. „Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass mit Hilfe kurzer DNA-Schnipsel quasi-unendliche Strukturen für solche Anwendungen aufgebaut werden können“, beschreibt Richert die Arbeit, die am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Bräse (Chemie), Wenzel (Physik) und Puchta (Biologie) entstand. Dafür reichten bereits DNA-Abschnitte von nur zwei Nukleotiden, also den Buchstaben, aus denen DNA besteht, damit sich die Gerüste in wässriger Lösung bildeten. Dieses Material lagert sich dann selbständig zu Nanopartikeln zusammen, wenn es abgekühlt wird.

Die extrem kurzen DNA-Doppelstränge haben den Vorteil, dass eine relativ geringe Aktivierungsenergie benötigt wird, um fehlerhafte Strukturen wieder aufzubrechen. „Dies ermöglicht einen dynamischen Auf- und Abbauprozess“, so Richert, der auch nach seinem kürzlichen Wechsel an die Universität Stuttgart das Projekt in Zusammenarbeit mit seinen Karlsruher Kollegen weiterführen wird. „Ein großer Vorteil dabei ist, dass wir mit rein synthetischem Material große Gitter erhalten können.“ (lg/gk)

Literatur:
Two Base Pair Duplexes Suffice to Build a Novel Material. M. Meng et al., ChemBioChem 2009, 10, 1335-1339.

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 18.06.2009

Regensburger Physiker messen erstmals Ladungszustand einzelner Atome

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von IBM erzielten Forscher der Universitäten Regensburg und Utrecht einen Durchbruch auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Sie konnten zum ersten Mal den Ladungszustand von einzelnen Atomen direkt mittels Rasterkraftmikroskopie (RKM) messen. Die Präzision, mit der sie dabei zwischen ungeladenen bzw. positiv oder negativ geladenen Atomen unterscheiden konnten, betrug eine einzelne Elektronenladung bei einer nanometergenauen räumlichen Auflösung. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung von Nanostrukturen und Bausteinen auf atomarer und molekularer Skala in Anwendungsbereichen wie etwa der molekularen Elektronik, der Katalyse oder der Photovoltaik.

Die Arbeit von Jascha Repp und Franz Giessibl von der Universität Regensburg, Peter Liljeroth von der Universität Utrecht und von Leo Gross, Fabian Mohn und Gerhard Meyer vom IBM Forschungslabor Zürich ist in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science erschienen. Sie berichten darin, wie sie einzelne, unterschiedlich geladene Gold- und Silberatome abbilden und deren Ladungszustand aufgrund kleinster Unterschiede in der Kraft zwischen der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und diesen Atomen exakt bestimmen konnten.

Für ihre Experimente verwendeten die Forscher eine Kombination aus Rastertunnel- (RTM) und Rasterkraftmikroskop (RKM), betrieben im Ultrahochvakuum und bei tiefen Temperaturen (5 Kelvin), um die für diese Messungen notwendige Stabilität zu erreichen. Ein RKM misst mittels einer atomar feinen Spitze, die auf einem schwingenden Federbalken angebracht ist, die Kräfte, die zwischen dieser Spitze und den Atomen auftreten. In der vorliegenden Arbeit verwendeten die Forscher einen so genannten qPlus Kraftsensor, bei dem die Spitze auf einem Zinken einer Stimmgabel, wie man sie in mechanischen Uhrwerken von Armbanduhren findet, angebracht ist, während der andere Zinken fixiert ist. Die Stimmgabel wird mechanisch angeregt und schwingt mit einer Amplitude von 0.02 Nanometer. Dies entspricht nur etwa einem Zehntel des Durchmessers eines Atoms. Wird die RKM-Spitze nun sehr nah über der Probe, etwa über einem einzelnen Atom, platziert, verändert sich die Resonanzfrequenz der Stimmgabel aufgrund der Kräfte, die zwischen Probe und Spitze auftreten.

Mit dieser Methode und unter extrem stabilen Bedingungen konnten die Forscher nun die minimalen Unterschiede in der Kraft messen, die zwischen Spitze und einzelnen, unterschiedlich geladenen Atomen herrscht. Die Kraftdifferenz zwischen einem neutralen Goldatom und einem Goldatom mit einem zusätzlichen Elektron, beträgt nur etwa 11 Pikonewton, gemessen bei einer minimalen Distanz zwischen Spitze und Probe von ungefähr einem halben Nanometer. Die Messgenauigkeit dieser Experimente liegt im Bereich von 1 Pikonewton, was der Gravitationskraft entspricht, die zwei Menschen in einem Abstand von mehr als einem halben Kilometer aufeinander ausüben. Die Forscher bestimmten zudem, wie sich die Kraft mit der zwischen Spitze und Probe angelegten Spannung veränderte. Dies erlaubte die Unterscheidung, ob das entsprechende Atom negativ oder positiv geladen war.

Dieser Durchbruch ist ein weiterer wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der Nanoforschung. Im Gegensatz zum RTM, das auf elektrisch leitfähige Proben angewiesen ist, kann das RKM auch für nichtleitende Proben verwendet werden. In der molekularen Elektronik, in der die Verwendung von Molekülen als funktionale Bausteine in zukünftigen Schaltkreisen und Prozessoren erforscht wird, werden nichtleitende Trägersubstanzen benötigt. Deshalb würde bei solchen Experimenten bevorzugt die Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz kommen.

Schon 2008 gelang es Wissenschaftlern der Universität Regensburg in Zusammenarbeit mit dem IBM Almaden Research Center in Kalifornien, mit einem qPlus-RKM erstmals die Kraft zu messen, die benötigt wird, um ein Atom auf einer Oberfläche zu verschieben. Dies bahnte den Weg für die aktuellen Experimente.

Nanotechnologie an der Universität Regensburg und bei IBM:

IBM ist seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops im Jahr 1981 durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am Zürcher Labor Pionier auf dem Gebiet der Nanowissenschaft. Für diese bahnbrechende Erfindung, dank derer einzelne Atome abgebildet und später auch manipuliert werden konnten, erhielten Binnig und Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik. Das RTM wird generell als das Instrument angesehen, das das Tor zum Nanokosmos öffnete. Das Rasterkraftmikroskop, das eng mit dem RTM verwandt ist, wurde 1986 von Binnig erfunden. Die Physik der Nanostrukturen ist ein Schwerpunkt der physikalischen Fakultät an der Universität Regensburg. Sowohl experimentelle als auch theoretische Physiker forschen in Regensburg innerhalb des Sonderforschungsbereichs 689 „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ und des neu eingerichteten Graduiertenkollegs 1570 „Elektronische Eigenschaften von Nanostrukturen auf Kohlenstoff-Basis“ auf dem faszinierenden und zukunftsträchtigen Gebiet der Nanophysik.

Literatur:

Die wissenschaftliche Arbeit von L. Gross, F. Mohn, P. Liljeroth, J. Repp, F. J. Giessibl, und G. Meyer mit dem Titel „Measuring the Charge State of an Adatom with Noncontact Atomic Force Microscopy“ erschien in Science, Vol. 324, Nr. 5933, S. 1428 – 1431 (12. Juni 2009).

Siehe auch das Science Perspective von E. Meyer, T. Glatzel mit dem Titel „Novel Probes for Molecular Electronics“, erschienen in Science, Vol. 324, Nr. 5933, S. 1397 – 1397 (12. Juni 2009).

Externer Link: www.uni-regensburg.de