Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 20.01.2015

Entstehung über einen Zwischenschritt aus einem vorläufigen Aggregat

Um die Struktur von Proteinen zum Beispiel bei der Wirkstoffsuche in der Arzneimittelforschung präzise zu bestimmen, benötigen Wissenschaftler diese in Form von Kristallen. Doch das Züchten von Proteinkristallen ist keine Routineangelegenheit, sondern häufig der sprichwörtliche Flaschenhals bei den Untersuchungen. Daher haben Andrea Sauter, Fajun Zhang und Professor Frank Schreiber vom Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen nun in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Oxford und Grenoble einen wichtigen Schritt in der Keimbildung und dem Wachstum von Proteinkristallen beobachtet. Anders als bei der klassischen Theorie, nach der sich von Beginn an ein Keim in der endgültigen Form des Kristalls bildet, haben die Forscher einen Zwischenschritt bei der Kristallbildung beobachtet. Sie können nun die Dynamik der Proteinkristallisation genauer beschreiben, als dies bisher möglich war. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Physiker in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society.

Für das Züchten eines Kristalls bringen die Forscher den reinen Stoff in eine übersättigte Lösung. Darin bilden sich Keime, an die sich wie bei einem dreidimensionalen Puzzle aus lauter gleichen Teilen immer mehr Stoffmoleküle an die vorgegebene Passform anlagern können. So wächst der Kristall schließlich zu einer Größe, die auch für das menschliche Auge sichtbar sein kann. Die Tübinger Physiker haben vor allem die erste Phase der Bildung eines Proteinkristallkeims mittels Röntgenstrahlen und optischer Mikroskopie in Echtzeit untersucht. „Zunächst lagern sich die Proteinmoleküle zu Aggregaten zusammen“, berichtet Andrea Sauter. Sie hätten jedoch noch nicht die Form des späteren Kristalls. „Je mehr des Proteins in diese Zwischenphase eintritt, desto schneller bilden sich die Keime.“

Die Wachstumsgeschwindigkeit der neuen Kristalle sei in diesem Schritt jedoch gering, was mit der geringen Mobilität der Proteine im Aggregat zusammenhängen könnte. Dieser erste Schritt dauert an, bis das Aggregat aufgebraucht ist. Danach wächst der Kristall schneller. Beweglichere Proteinmoleküle aus der gelösten, flüssigen Phase können direkt an der Wachstumsfront des Kristallkeims andocken. Zu dieser Zeit bilden sich neue Keime jedoch deutlich langsamer. „All diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Proteinaggregate als Vorläufer der Kristalle eine wichtige Rolle in dem zweistufigen Prozess spielen“, fasst die Wissenschaftlerin zusammen. Möglicherweise lassen sich aus dem tieferen Verständnis der Vorgänge verbesserte Techniken für die Praxis der Kristallzüchtung und damit für wichtige Fragestellungen der Arzneimittelforschung und der Strukturbiologie ableiten.

Originalveröffentlichung:
Andrea Sauter, Felix Roosen-Runge, Fajun Zhang, Gudrun Lotze, Robert M. J. Jacobs, Frank Schreiber: Real-Time Observation of Nonclassical Protein Crystallization Kinetics. Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/ja510533x.

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 28.10.2014

Wechselwirkung von Licht und Materie wird auf der Ebene einzelner Photonen kontrolliert

Einer Forschergruppe um den Juniordozenten Dr. Sebastian Slama vom Physikalischen Institut der Universität Tübingen ist es erstmals gelungen, die Fluoreszenz von ultrakalten Atomen gezielt in sogenannte Oberflächen-Plasmonen zu lenken. Als Plasmonen bezeichnen Physiker Lichtwellen, die sich auf einer metallischen Oberfläche ausbreiten – ähnlich wie Elektronen in einem Draht fließen. Ziel in der Quantenforschung sind winzige Systeme, in denen etwa die Wechselwirkungen von Licht und Materie auf der Ebene einzelner Lichtquanten, den Photonen, kontrolliert werden können. Aus solchen kontrollierten Systemen ergeben sich viele mögliche Anwendungen, wie zum Beispiel Schalter und Transistoren, die auf einem einzelnen Photon beruhen.

Im Experiment haben die Physiker Rubidiumatome in einer Ultrahochvakuum-Apparatur bis auf eine Temperatur von einem Millionstel Kelvin, dicht über dem absoluten Nullpunkt, abgekühlt und dann gezielt in einen Abstand von wenigen hundert Nanometern – das sind millionstel Millimeter – an eine Goldoberfläche herangebracht. Die Atome schweben hierbei frei im Vakuum und werden nur von magnetischen Feldern gehalten. Unter diesen Bedingungen strahlen die Atome Licht bevorzugt in die Oberflächen-Plasmonen ab, wo die Wissenschaftler dann einzelne abgestrahlte Photonen nachgewiesen haben. „Dieser Prozess läuft sehr effizient ab, wir sprechen auch von einer hohen Kooperativität der Atome“, erklärt Sebastian Slama. In den Experimenten habe sich die Licht-Materie-Kopplung zudem einfacher realisieren lassen als bei alternativen Verfahren mit optischen Resonatoren. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

„Die neu entwickelte Methode kann künftig genutzt werden, um Quanteninformationen, die im Atom gespeichert wurden, möglichst verlustfrei auszulesen und weiterzuverarbeiten“, sagt der Wissenschaftler. Damit verbindet er die Hoffnung, dass die Konstruktion von Schnittstellen zwischen Quantenspeichern und Quantendatenleitungen – und damit der Bau eines hocheffizienten, völlig neuartigen Computers – in greifbare Nähe gerückt ist.

Originalpublikation:
Christian Stehle, Claus Zimmermann and Sebastian Slama: Cooperative coupling of ultracold atoms and surface plasmons. Nature Physics, Online-Veröffentlichung 26. Oktober 2014, DOI: 10.1038/nphys3129

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Presseinformation der Universität des Saarlandes vom 22.10.2014

Leise, leicht und energieeffizient: Das sind einige der Vorteile des neuartigen Vakuum-Sauggreif-Systems, das der Mechatronik-Student Julian Kunze in der Forschergruppe von Stefan Seelecke entwickelt hat. Ein Spezialgebiet von Seeleckes Teams sind haarfeine Formgedächtnis-Drähte, die wie Muskeln anspannen und entspannen. Auf diese Weise werden auf den Punkt genaue Bewegungsabläufe möglich, wodurch etwa technische Bauteile präzise bewegt werden können. Bei Julian Kunzes Sauggreifer zieht der Draht an einer Membran und löst so ein Vakuum aus, wenn diese flach auf einem Gegenstand liegt. Die Vakuumtechnik-Firma Schmalz GmbH zeichnete den Studenten hierfür mit ihrem Innovationspreis aus.

Sie stapeln Kartons, laden zig Dosen gleichzeitig auf Paletten, befördern große Bleche oder transportieren Glasscheiben: Vakuum-Greifer sind heute vielerorts im Einsatz. Die gängigen Systeme arbeiten pneumatisch. Sie sind meist komplex, oft schwer und machen bisweilen recht viel Lärm. Das neuartige System, das der Student Julian Kunze am Lehrstuhl von Professor Stefan Seelecke entwickelt hat, ist schlicht, leicht, leise, effizient und sogar reinraumtauglich. Das Geheimnis beruht auf einem Draht, der eine ganz besondere Eigenschaft hat: Wie ein Muskel zieht er sich deutlich zusammen, wenn Strom durch ihn fließt. Sobald der Strom ausgeschaltet wird, wird er wieder so lang wie vorher. Formgedächtnis nennen das die Wissenschaftler.

„Diese Drähte mit Formgedächtnis bestehen aus Nickel-Titan“, erklärt Stefan Seelecke. „Formgedächtnis bedeutet, dass das Material seine ursprüngliche Form wieder annimmt, nachdem es verformt wurde; es erinnert sich sozusagen an seine alte Form. Diese Eigenschaft der Nickel-Titan-Legierung beruht auf so genannten Phasenumwandlungen: Wird der Draht warm, zum Beispiel wenn Strom hindurchfließt, wandelt sich seine Gitterstruktur so um, dass er kürzer wird. Kühlt er ab, wird er wieder länger“, erläutert er. Sein Forscherteam am Lehrstuhl für Unkonventionelle Aktorik an der Saar-Uni und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik „Zema“ nutzt diese Eigenschaft für verschiedenste Anwendungen: vom Inhalationsgerät, dessen Mundstück Wirkstoffteilchen gezielt an ihren Wirkort in der Lunge „schießt“, über neuartige Kühlsysteme bis hin zu Bauteilen, die sich geräuschlos und präzise heben und senken.

„Beim Vakuum-Greifer ist eine Membran direkt mit einem Formgedächtnisdraht verbunden, der gezielt angesteuert werden kann. So ist es möglich, nur mit elektrischem Strom ein tragfähiges Vakuum zu erzeugen“, erklärt Julian Kunze, studentischer Mitarbeiter in Seeleckes Team. „Dadurch, dass das System ganz ohne Druckluft, Gebläse, Pumpen oder sonstige größere Bestandteile auskommt, ist es platzsparend, leicht und auch der CO2-Ausstoß wird verringert“, sagt der 23-Jährige. Den Prototypen hat er selbst am Computer entworfen und am 3D-Drucker des Lehrstuhls ausgedruckt – komplett samt Rahmen und Membran. „Dadurch konnte ich den gesamten Prozess von der Idee über die Entwicklung bis zum fertigen Prototyp durchlaufen“, sagt er. Der Student arbeitet nun in Seeleckes Team daran, das System weiterzuentwickeln und weiter zu optimieren. „Die Tragfähigkeit dieses Vakuum-Greifers ist skalierbar – der Prototyp kann bereits ein Gewicht von einigen Kilos heben und sicher festhalten, aber das kann natürlich noch gesteigert werden“, sagt Professor Seelecke.

Das Vakuum-Technologie-Unternehmen Schmalz hat Julian Kunze für seine Entwicklung Anfang Oktober mit dem erstmals verliehenen Schmalz Innovationspreis ausgezeichnet, der mit einer Siegprämie von 4.000 Euro und einem vierwöchigen Unternehmens-Praktikum bei Schmalz verbunden ist.

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Presseaussendung der TU Wien vom 20.10.2014

Ein scheinbar widersinniges Verhalten von Lasern, das an der TU Wien vorhergesagt worden war, konnte nun in einem neuen Experiment bestätigt werden, wie das Fachjournal „Science“ berichtet.

Was zunächst wie eine mathematische Kuriosität aussah ist nun zur neuen Laser-Technologie geworden. Vor zwei Jahren wurde von Physikern der TU Wien ein paradoxer Laser-Effekt vorhergesagt: In bestimmten Situationen kann man einen Laser einschalten, indem man ihm nicht mehr Energie zuführt, sondern ihm stattdessen Energie entnimmt. Erste experimentelle Anzeichen für diesen Effekt wurden vor kurzem an der TU gefunden; nun konnte der paradoxe Laser-Effekt in Zusammenarbeit mit Teams von der Washington University in St. Louis, USA und von RIKEN, Japan auf ein weiteres Laser-System übertragen und dort präzise vermessen werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.

Einschalten durch Ausschalten

Matthias Liertzer und Prof. Stefan Rotter stießen zunächst in Computersimulationen auf den Effekt: „Wenn man zwei kleine, gleichartig gebaute Laser in engen Kontakt zueinander bringt, dann können sich diese auf eine Weise beeinflussen, die auf den ersten Blick jeder Erwartung widerspricht“, erklärt Stefan Rotter. „Normalerweise leuchtet ein Laser, wenn man ihm mehr Energie zuführt. Doch bei geeigneter Laser-Kopplung kann eine Energiezufuhr die beiden Laser abschalten und ein Energieverlust kann die Laser zum Leuchten bringen.“

In einem Laser werden Lichtteilchen vervielfältigt, es kommt zu einer Kettenreaktion die letztendlich kräftige Strahlung erzeugt. Normalerweise ist dabei jeder Lichtverlust höchst unerwünscht. Wenn zu viel Licht verlorengeht, etwa durch eine schlecht verspiegelte Außenwand des Lasers, dann kann die Lichtproduktions-Kettenreaktion nicht aufrecht erhalten werden und der Laser erlischt.

Paradoxes Verhalten am „Entartungspunkt“

„Die Eigenschaften der Laser kann man durch mathematische Gleichungssysteme sehr gut beschreiben und verstehen“, erklärt Matthias Liertzer. „Wenn man sich diese Gleichungen genau ansieht, mit denen auch die Kopplung zwischen zwei Lasern beschrieben wird, dann stellt man fest, dass hier sogenannte Entartungspunkte auftreten. Befindet sich der Zustand, der den Laser mathematisch charakterisiert, in der Umgebung eines solchen Entartungspunktes, dann zeigt sich paradoxes Verhalten.“

Im Experiment, das von Bo Peng und Dr. Sahin Kaya Ozdemir mit der Gruppe von Prof. Lan Yang in St. Louis, USA durchgeführt wurde, stellte man zwei winzige kreisförmige Laser her, die man in unmittelbarer Nähe zueinander platzierte. Zusätzlich wurde eine feine Spitze aus Chrom in das System eingebracht, die Licht stark absorbiert. Durch genaues Justieren der Spitze kann der Lichtverlust fein dosiert werden. „Die Experimente bestätigten unsere Vorhersagen: Wenn sich das System in der Nähe des Entartungspunktes befindet, führt die Absorption der Spitze dazu, dass sich der Laser einschaltet und zu leuchten beginnt“, sagt Stefan Rotter.

Die Besonderheiten solcher Entartungspunkte zu verstehen wird für ganz unterschiedliche technologische Anwendungen wichtig sein, glaubt Rotter: „Das kann für hochsensible Detektoren nützlich sein, oder für jedes andere System das aus gekoppelten Oszillatoren besteht, wie zum Beispiel in der Opto-Mechanik. Jedenfalls gibt es noch viele interessante Effekte, die man im Zusammenhang mit diesen Entartungspunkten studieren kann“, meint Stefan Rotter. (Florian Aigner)

Publikation:
Science 2014

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.09.2014

Forschern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, das «verbotene» Infrarot-Spektrum eines geladenen Moleküls zu beobachten. Solche extrem schwache Spektren eröffnen neue Wege für die hochpräzise Vermessung molekularer Eigenschaften, für die Entwicklung molekularer Uhren und für die Quantentechnologie. Die Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Nature Physics» veröffentlicht.

Die Spektroskopie, die Wechselwirkung von Materie mit Licht, ist die wohl wichtigste Methode, um die Eigenschaften von Molekülen zu untersuchen. Moleküle können dabei nur Licht bei wohldefinierten Wellenlängen absorbieren, die genau der Differenz zwischen zwei quantenmechanischen Energiezuständen entsprechen. Man spricht dabei von spektroskopischen Übergängen. Aus der Analyse der Wellenlänge und der Intensität der Übergänge lassen sich Informationen über die chemische Struktur und über die molekulare Bewegung wie Drehungen oder Schwingungen gewinnen.

In bestimmten Fällen ist der Übergang zwischen zwei Energiezuständen jedoch nicht erlaubt, was als «verbotener» Übergang bezeichnet wird. Dieses Verbot ist jedoch nicht kategorisch, sodass verbotene Übergänge mit einer extrem empfindlichen Messmethode trotzdem beobachtet werden können. Die entsprechenden Spektren sind sehr schwach, können aber auch sehr genau vermessen werden. Sie geben Aufschluss über molekulare Eigenschaften mit einer Präzision, die mit erlaubten Spektren nicht erreichbar wäre.

Präzise Analyse molekularer Eigenschaften

Die Forschungsgruppe um Prof. Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel hat im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» Methoden etabliert, mit denen Moleküle gezielt auf Quantenebene manipuliert und untersucht werden können.

In der vorliegenden Arbeit wurden dabei einzelne geladene Stickstoffmoleküle (Ionen) in einem wohldefinierten molekularen Energiezustand erzeugt. Diese wurden dann in einer Ultrahochvakuum-Kammer in eine Anordnung von ultrakalten, lasergekühlten Calcium-Ionen, einen sogenannten Coulomb-Kristall, eingebracht. Dadurch kühlten sich die Molekül-Ionen auf wenige tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt ab und lokalisierten sich im Raum. In dieser isolierten, kalten Umgebung konnten die Moleküle über lange Zeiträume störungsfrei untersucht werden. Auf diese Weise gelang es den Forschern, mit einem intensiven Laser verbotene Übergänge im Infrarotbereich anzuregen und zu beobachten.

Perspektive für neue Anwendungen

Die vorgestellte Methode weist den Weg zu neuen Anwendungen wie zum Beispiel der hochgenauen Vermessung molekularer Eigenschaften, der Entwicklung extrem präziserer Uhren auf Basis einzelner Moleküle oder der Quanteninformationsverarbeitung mit Molekülen. Sie eröffnet auch Möglichkeiten, fundamentale Fragestellungen mithilfe spektroskopischer Präzisionsmessungen an Molekülen aufzugreifen, die bisher eine Domäne der Hochenergiephysik waren, wie zum Beispiel die Frage, ob die Naturkonstanten tatsächlich konstant sind.

Originalbeitrag:
Matthias Germann, Xin Tong, Stefan Willitsch
Observation of electric-dipole-forbidden infrared transitions in cold molecular ions
Nature Physics, published online 21 September 2014 | doi: 10.1038/nphys3085

Externer Link: www.unibas.ch