Zuverlässiger molekularer Kippschalter entwickelt

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.03.2017

Neue Dimensionen bei der Verkleinerung elektronischer Bauteile – Schalter kann beliebig oft betätigt werden – Zukünftig hunderfach kleinere Schaltkreise möglich

Die Nanotechnologie macht immer neue Miniaturrekorde möglich. Doch der Verkleinerung elektronischer Bauteile sind physikalische Grenzen gesetzt, die bald erreicht sein werden. Neuartige Materialien und Bauelemente sind gefragt. Hier setzt die molekulare Elektronik an. Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ist es jetzt gelungen, einen molekularen Kippschalter zu entwickeln, der nicht nur in der gewählten Position verbleibt, sondern den man auch beliebig oft umlegen kann. Das berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Indem herkömmliche siliziumbasierte Bauteile wie hier ein Schalter durch einzelne Moleküle ersetzt werden, könne man zukünftig elektronische Schaltkreise konstruieren, die sich mehr als hundertfach enger auf einen Chip integrieren lassen, sagt Lukas Gerhard vom Institut für Nanotechnologie.

Das Grundgerüst des elektromechanischen Molekülschalters besteht aus nur wenigen Kohlenstoffatomen. Drei Schwefelatome bilden die Füße, die auf einer glatten Goldoberfläche fixiert sind. Der Kipphebel endet in einer Nitrilgruppe mit einem Stickstoffatom. Umgelegt wird er, indem eine Spannung angelegt wird und durch das resultierende elektrische Feld eine Kraft auf die Ladung des Stickstoffatoms ausgeübt wird. Dadurch wird Kontakt zu einer zweiten Elektrode (hier der Goldspitze eines Rastertunnelmikroskops) hergestellt.

Der gesamte Schalter misst gerade mal einen Nanometer. Zum Vergleich: Allein die kleinsten in der Halbleitertechnik verwendeten Strukturen haben eine Größe von zehn Nanometern. „Die molekulare Elektronik wäre also ein sehr großer Fortschritt“, sagt Gerhard.

Bemerkenswert ist indes nicht nur die Größe des Schalters, sondern vor allem, dass er zuverlässig und vorhersehbar arbeitet. Das heißt, eine Betätigung führt immer eindeutig zu einem Schaltzustand, der Kontakt ist also entweder offen oder geschlossen. Bislang scheiterte die Umsetzung dieses Prinzips oft daran, dass die elektrische Kontaktierung einzelner Moleküle nur unzureichend kontrollierbar war. Den KIT-Forschern ist es jetzt erstmalig geglückt, einen solchen Kontakt zwischen Molekül und Goldspitze elektrisch und mechanisch beliebig oft zu öffnen und zu schließen, ohne dass plastische Verformungen auftraten.

Der Fortschritt in der synthetischen Chemie habe zwar dazu geführt, dass eine große Vielfalt von unterschiedlichen molekularen Bausteinen in milliardenfacher, Atom für Atom identischer Ausfertigung bereitgestellt werden könne, so Gerhard. „Um sie aber miteinander verschalten zu können, muss man sie so schonend berühren können, dass sie dabei nicht beschädigt werden.“ Darin, dass eine so schonende Verfahrensweise nun erstmals gelungen sei, sieht er die entscheidende Neuerung.

Die vorliegende Arbeit ist in einer engen Zusammenarbeit zwischen experimentellen Physikern und Chemikern des Instituts für Nanotechnologie am KIT und der Universität Basel und theoretischen Physikern der Universität Konstanz entstanden. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Wie Kristalle Wellen schlagen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 13.03.2017

Physiker der Universitäten Regensburg, Marburg und Michigan erzeugen maßgeschneiderte Lichtwellen per Kristall-Symmetrie

Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Um die Eigenschaften von Licht möglichst präzise zu kontrollieren, möchte man daher am besten die zeitliche Form dieser Wellen direkt einstellen – ein umso schwierigeres Unterfangen, je höher die Schwingungsfrequenz ist. Ein Team von Physikern aus Regensburg (Deutschland), Marburg (Deutschland) und Ann Arbor (USA) hat nun eine Methode entwickelt, um Lichtwellen, die von beschleunigten Elektronen in einem Festkörper abgestrahlt werden, mit Hilfe der Kristallsymmetrie maßzuschneidern.

Seit einigen Jahren können Physiker extrem kurze ultraviolette Lichtblitze erzeugen. Zu diesem Zweck wird eine Methode eingesetzt, die sich „Generation Hoher Harmonischer“ nennt. Dabei entreißt ein intensiver Laser im nahinfraroten Spektralbereich gasförmigen Atomen ihre Elektronen, um sie wenig später wieder zurück in den Kern zu schleudern und bei der Kollision ultraviolettes Licht zu erzeugen. Dieser Prozess erfolgt derart rasant, dass das Licht in äußerst kurzen Impulsen emittiert wird, die nur einige zehn Attosekunden dauern. Seit Beginn unseres Universums sind noch nicht so viele Sekunden vergangen, wie Attosekunden in einer einzelnen Sekunde enthalten sind. Dieser unvorstellbar kurze Augenblick stellt jedoch die natürliche Zeitskala für die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern dar.

Um solche Vorgänge zu beobachten, benutzen Forscher heute Attosekunden-Lichtblitze, mit denen sie eine Folge superschneller Schnappschüsse nach dem Prinzip einer Stroboskopkamera aufnehmen und zu einem Zeitlupenfilm zusammenfügen. Präzise Hochgeschwindigkeitsaufnahmen erfordern eine möglichst genaue Kontrolle dieser Lichtblitze. Am liebsten würde man die Wellenform eines Lichtimpulses selbst maßschneidern, anstatt nur seine Helligkeit oder Zeitdauer einzustellen. Nun gelang es einem Team von Physikern an den Universitäten Regensburg, Marburg und Ann Arbor, genau dies durch „Hohe-Harmonische-Generation“ in einem Festkörper-Kristall zu erreichen. Wenn man die Symmetrie des Kristalls geschickt ausnutzt, können ultrakurze Wellenformen mit einer Detailgenauigkeit geformt werden, die in atomaren Gasen fehlt.

Die Experimente wurden an der Hochfeld-Terahertz-Quelle an der Universität Regensburg durchgeführt, wo „Hohe Harmonische“ in einem Volumenhalbleiter erzeugt werden. Zum ersten Mal gelang es den Physikern, Details der Trägerwelle der „Hohen Harmonischen“ aufzulösen. Darüber hinaus zeigten sie, dass die Kristallorientierung die Lichtemission in einer verblüffenden Art beeinflusst: Für bestimmte Richtungen hat jeder zweite ausgesandte Lichtimpuls das genau umgekehrte Vorzeichen seines Vorgängers. Die Kristallsymmetrie kann außerdem dazu genutzt werden, eine beliebige Polarisation der Lichtwelle der „Hohen Harmonischen“ einzustellen. Die experimentellen Ergebnisse wurden durch eine quantenmechanische Simulation von den Physikern aus Marburg und Ann Arbor als raffinierter Interferenzmechanismus der angeregten und beschleunigten Elektronen erklärt.

Maßgeschneiderte Lichtwellen aus Festkörper-basierten Attosekunden-Quellen dürften schon bald in neuen superschnellen Zeitlupenkameras zum Einsatz kommen. Außerdem könnten sie als extrem schnelle Vorspannung genutzt werden, um elektrische Ströme zu treiben. Dieses Prinzip könnte eine qualitativ neue Art Lichtwellen-getriebener Elektronik ermöglichen, welche die Taktraten aktueller elektronischer Bauelemente millionenfach übertrifft.

Die Ergebnisse der Forschergruppe werden in der nächsten Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht. (Claudia Kulke)

Publikation:
F. Langer, M. Hohenleutner, U. Huttner, S. W. Koch, M. Kira, and R. Huber: “Symmetry-controlled temporal structure of high-harmonic carrier fields from a bulk crystal”.
DOI: 10.1038/nphoton.2017.29

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Wenn Moleküle Nanotrommeln verstimmen

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Presseaussendung der TU Wien vom 13.03.2017

Die Analyse kleinster Mengen von pharmazeutischen Proben ist für die Forschung und Synthese neuer Medikamente äußerst wichtig, stellt aber derzeit eine technische Herausforderung dar. Eine neue Infrarot-Messmethode, die an der TU Wien in Zusammenarbeit mit zwei Forschungsgruppen aus Kopenhagen entwickelte wurde, könnte Abhilfe schaffen.

Materialien für pharmazeutische Produkte sind ein teures Gut. Entsprechend vorsichtig geht man mit ihnen um, wenn es beispielsweise um die Synthese neuer Medikamente geht. Um die gewünschte Zusammensetzung auszutesten oder anzupassen, braucht es genaue Messinstrumente. Eine bisher gängige Messmethode ist Infrarotspektroskopie. Um die Probe aber überhaupt analysieren zu können, muss diese zunächst vorbereitet werden. Der pharmazeutische Stoff kann beispielsweise in einer wässrigen Lösung gelöst sein. Da aber Wasser einen hohen Absorptionsgrad des Lichts aufweist, ist eine genaue Messung schwierig. Alternativ wird das Material gefriergetrocknet oder in Pulverform vorbereitet, allerdings erfordern beide Varianten ca. 1 mg Material, was je nach Anwendung eine relativ große Menge darstellt.

Prof. Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien entwickelt gemeinsam mit zwei Forschungsgruppen von Dänemarks Technischer Universität und der Universität Kopenhagen eine neue Messmethode, die bereits mit winzigsten Proben Mengen genaue Messergebnisse liefert.

Vibration von Molekülen

„Eine hohe Fehlerquelle im Messprozess besteht in der Samplevorbereitung, weil damit direkt hantiert werden muss. Das begünstigt Verunreinigungen“, erklärt Prof. Schmid. In der von ihm mitentwickelten Messmethode wird Probenmaterial direkt aus einer Lösung eingebracht und anschließend in ein Aerosol umgewandelt. Durch das Aerosol können die enthaltenen Stoffe, die gemeinsam mit Luft transportiert werden, direkt in das Messinstrument geblasen werden – ohne händische Verunreinigungen zu riskieren. Im Messaufbau wird das Aerosol durch einen vibrierenden Luftfilter aus Siliziumnitrit geblasen und haftet dort an. „Unsere Methode basiert auf nanomechanischen Resonatoren. Man kann sich diese wie kleinste perforierte Trommeln vorstellen, die auch entsprechend vibrieren können“, erklärt Prof. Schmid.

Diese vibrierenden Filter sind etwa 1.000 mal dünner als ein Haar und etwa 500-1000 µm breit. Auf dem Filter werden zusätzlich Elektroden aufgebracht, um die Vibration der Filtertrommel zu messen. Anschließend wird ein Infrarotlaser auf den Filter ausgerichtet. Das Licht des Lasers regt eine molekulare Vibration des auf dem Filter adsorbierten Probenmaterials an, die die Trommel erwärmt und dadurch eine messbare Verstimmung erzeugt. Die Infrarotquelle kann entsprechend ihres Frequenzspektrums „durchgestimmt“ werden, was wiederum unterschiedliche Frequenzen in der Vibration der Moleküle erzeugt. Je nachdem in welcher Frequenz die Moleküle vibrieren, lässt sich eine Verstimmung des vibrierenden Filters feststellen. „Wir haben die Absorptions-Peaks bestimmter Medikamente, beispielsweise von Indometacin, mit unseren Messergebnissen verglichen, und diese stimmen überein. Unsere Methode benötigt dazu aber weniger als ein Millionstel des Probenmaterials das für Standard-Infrarotspektroskopie benötigt wird“, zeigt sich Prof. Schmid erfreut.

Nächster Schritt: Erhöhte Empfindlichkeit und industrielle Anwendbarkeit

Ein weiterer Schritt in Richtung realistischer Anwendbarkeit für die Industrie setzt Silvan Schmid mit der Fortsetzung seiner Forschungen. Momentan beschäftigt sich seine Gruppe u. a. mit der Optimierung der vibrierenden Filter, um die Empfindlichkeit noch weiter zu erhöhen. Dies würde es erlauben, die benötigte Menge Probenmaterial noch weiter zu verringern. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
M. Kurek et al.
Nanomechanical Infrared Spectroscopy with Vibrating Filters for Pharmaceutical Analysis.
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.201700052

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Forscher ahmen molekulares Gedränge nach

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 01.03.2017

Enzyme verhalten sich im geräumigen Reagenzglas anders als im molekularen Gedränge einer lebenden Zelle. Chemiker der Universität Basel konnten diese engen Bedingungen nun erstmals in künstlichen Vesikeln naturgetreu simulieren. Die Erkenntnisse helfen der Weiterentwicklung von Nanoreaktoren und künstlichen Organellen, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Small».

Im Inneren einer Zelle herrscht dichtes Gedränge. Neben hunderttausenden Makromolekülen wie Proteinen tummelt sich eine Unzahl an DNA, RNA und kleineren Molekülen und bilden eine dickflüssige Wasserlösung. Diese Enge nennt man in der Wissenschaft «molecular crowding». Der Effekt kann dazu führen, dass sich einige Eigenschaften eines Moleküls wesentlich verändern.

Das Verhalten eines «freien» Proteins oder Enzyms in einem Reagenzglas lässt sich also nicht unbedingt auf die natürlichen Vorgänge übertragen, da die Viskosität innerhalb einer lebenden Zelle viel höher ist als in einer normalen Wasserlösung. Im Labor konnte bisher allerdings nur die hohe Konzentration an Molekülen nachgeahmt werden, nicht aber gleichzeitig der geschlossene Raum wie beispielsweise in einer Zelle.

Mutter Natur nachahmen

Ein Forscherteam um Prof. Wolfgang Meier von der Universität Basel hat nun ein System entwickelt, welches dem natürlichen Vorbild einen wesentlichen Schritt näherkommt, indem es erstmals den Crowding-Effekt innerhalb eines geschlossenen Vesikels simuliert hat. «Das Milieu innerhalb einer Zelle wirkt sich wesentlich auf die stattfindenden chemischen Reaktionen aus, weshalb wir dieses so naturgetreu wie möglich nachahmen wollen», so Meier.

Um die zelluläre Umgebung nachzubauen, stellten die Forscher vom Departement Chemie nanoskopische Vesikel her, sogenannte Polymersome, und beluden diese mit dem Enzym Meerrettichperoxidase, sowie einer hochviskosen Lösung als Crowding-Komponente. Dadurch liess sich zum ersten Mal die Kinetik von chemischen Reaktionen durch ein bestimmtes Enzym unter Berücksichtigung von «molecular crowding» und in einem abgeschlossenen Raum bestimmen. Es zeigte sich deutlich, dass beide Faktoren die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen.

Chemische Reaktionsgeschwindigkeit regulieren

«Unser Design berücksichtigt die natürlichen Umgebungsfaktoren, die die Leistung von Enzymen beeinflussen, und bringt uns so wesentlich weiter in der Entwicklung von Nanoreaktoren», sagt Meier. Die Resultate deuten ebenfalls daraufhin, dass sich das Verhalten von Enzymen durch den Einsatz des Crowding-Effekts gezielt regulieren lässt – ein wichtiger Faktor in der Entwicklung künstlicher Organelle für Enzymersatztherapien.

Originalartikel:
Patric Baumann, Mariana Spulber, Ozana Fischer, Anja Car, Wolfgang Meier
Investigation of horseradish peroxidase kinetics in an “organelle like” environment
Small (2017), doi: 10.1002/smll.201603943

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick März 2017

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Data Mining: Theories and Algorithms for Tackling Big Data
Bo Yuan (Tsinghua University)
Start: 20.03.2017 / Arbeitsaufwand: 56 Stunden

Externer Link: www.edx.org