Energie aus Sonnenlicht: Weiterer Schritt zur künstlichen Fotosynthese

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 24.06.2016

Chemikerteams der Universitäten Basel und Zürich sind der Energiegewinnung aus Sonnenlicht einen Schritt näher gekommen: Sie konnten erstmals eine der wichtigsten Phasen der natürlichen Fotosynthese in künstlichen Molekülen nachvollziehen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der Fachzeitschrift «Angewandte Chemie (Internationale Ausgabe)» vor.

Grüne Pflanzen sind nach der Absorption von Sonnenlicht in der Lage, elektrische Ladungen vorübergehend zu speichern, indem sie einen sogenannten molekularen Ladungsakkumulator verwenden. Genau diesen Vorgang konnten nun die beiden Forschungsteams im Labor bei künstlichen Molekülen beobachten, die sie eigens dafür herstellten.

Zwei Ladungen kurz gespeichert

Die Chemiker regten die künstlichen Moleküle mit einem Laser an, worauf erstmals zwei negative Ladungen für eine kurze Zeitdauer gespeichert werden konnten. Es gelang, die Ladungen genügend lange Zeit – nämlich während 870 Nanosekunden – zu speichern, damit sie für die künstliche Fotosynthese auch tatsächlich nutzbar wären.

Neu ist insbesondere, dass die Forschenden die Ladungsakkumulation ohne energiereiche Hilfsreagenzien durchführten. Bisher gelang eine solche Ladungsakkumulation in künstlichen Molekülen nur unter Verwendung von Hilfsreagenzien. Für diese muss jeweils viel Energie aufgewendet werden – womit eine nachhaltige Umwandlung von Sonnenlicht in chemisch gespeicherte Energie nicht möglich wäre.

«Unsere Resultate bedeuten einen grundlegend wichtigen Schritt auf dem Weg in Richtung künstliche Fotosynthese», sagen die beiden Leiter der Forschungsarbeit, Prof. Oliver Wenger (Universität Basel) und Prof. Peter Hamm (Universität Zürich). Bis zur angestrebten hohen Nachhaltigkeit des Verfahrens bleibe aber für die Forschung noch immer ein weiter Weg.

Umwandlung in Treibstoff

Derzeit untersuchen die beiden Forschungsgruppen der Universitäten Basel und Zürich, wie die Ladungsakkumulation in einen chemischen Treibstoff umgewandelt werden kann. Vorbild dafür sind die grünen Pflanzen, welche die Ladungsakkumulation zum Aufbau von lebensnotwendigen, energiereichen Substanzen nutzen. Die künstliche Fotosynthese gilt als ein vielversprechendes Element einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung.

Originalbeitrag:
M. Orazietti, M. Kuss-Petermann, P. Hamm, O. S. Wenger
Light-Driven Electron Accumulation in a Molecular Pentad
Angew. Chem. Int. Ed. (2016), doi: 10.1002/anie.201604030 (englische Version) und 10.1002/ange.201604030 (deutsche Version).

Externer Link: www.unibas.ch

Wie der Schnupfen in die Zelle kommt

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 20.06.2016

Viren schleusen ihre Erbsubstanz in unsere Zellen ein. Wie das funktioniert, lässt sich nun an der TU Wien mit einer neuen Kombination von Analysemethoden untersuchen.

Schnupfenviren verursachen uns Ärger, indem sie in unsere Zellen eindringen und dort die RNA aus ihrem Inneren in das Cytoplasma der infizierten Zelle transportieren. Erst dadurch können sie sich vermehren. Wie diese Ausschleusung der RNA aus dem Inneren des Virus im Detail abläuft, ist schwer zu untersuchen. An der TU Wien wurden nun eine Methode entwickelt, mit der man diesen Prozess analysieren kann. Sie entstand aus der Kombination zweier etablierter Verfahren – sogenannten „Molecular Beacons (molekulare Leuchtfeuer)“ und der Kapillarelektrophorese im Chip-Format. Die neue Methode wurde nun publiziert und der Artikeltitel ziert das Cover des Fachjournals „Analytical and Bioanalytical Chemistry“.

Mini-Fußball mit Erbsubstanz

Das Schnupfenvirus, das Prof. Günter Allmaier und sein Team vom Institut für Chemische Technologien und Analytik studierten, ist relativ einfach aufgebaut. Es sieht aus wie ein Nano-Fußball mit einem Durchmesser von ungefähr 30 Nanometern. Seine Schale besteht aus vier verschiedenen Proteinen, die jeweils 60-fach vorhanden sind, im Inneren verbirgt sich die RNA, auf der die Erbinformation des Virus gespeichert ist.

„Bestimmte äußere Bedingungen können das Virus dazu bringen, seine RNA nach außen freizusetzen“, erklärt Victor Weiss, PostDoc von Günter Allmaier. „In unseren Zellen wird das durch einen niedrigeren pH-Wert ausgelöst, man kann denselben Effekt auch erzielen, indem man die Temperatur für zehn Minuten auf 57°C erhöht.“ In diesem Fall organisieren sich die Proteine um, die Schale des Virus bekommt Löcher, durch eines von ihnen wird dann der RNA-Strang freigegeben.

Für viele medizinische Fragen ist es wichtig, diesen Mechanismus genau zu verstehen – zum Beispiel für die künftige Entwicklung von Medikamenten, die genau diesen RNA-Transfer verhindern. Die Dynamik dieses Vorgangs konnte bisher nicht direkt beobachtet werden. In den Labors der TU Wien wird dieser Prozess aber nun experimentell zugänglich gemacht.

Fluoreszierende Marker und Elektrophorese

Man verwendet sogenante „Molecular Beacons“ – das sind maßgeschneiderte RNA (oder DNA-) Moleküle mit zwei verschiedenen Enden. An einem Ende sitzt ein Fluorophor, der aufleuchtet, wenn man ihn mit Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt, am anderen Ende ein „Quencher“, der genau dieses Aufleuchten verhindert. „Anfangs ist das Molekül zusammengeklappt, Fluorophor und Quencher befinden sich ganz nahe nebeneinander, dann ist die Fluoreszenz sehr gering“, erklärt Victor Weiss.

Die Molecular Beacons können allerdings an eine ganz bestimmte RNA-Sequenz andocken. Wenn das passiert, klappt das Molekül auseinander, Fluorophor und Quencher sind plötzlich weit voneinander entfernt, und wenn man das Molekül dann mit dem passenden Laserlicht bestrahlt, fluoresziert es.

Man kann diese Molecular Beacons also verwenden, um bestimmte RNA-Sequenzen nachzuweisen. Diese Technik wurde an der TU Wien mit einer anderen bewährten Technik kombiniert – der Kapillarelektrophorese. Dabei trennt man die Komponenten einer Probe nach ihrer elektrophoretischer Mobilität (Wanderungsgeschwindigkeit in einem elektrischen Feld). Eine kleine Flüssigkeitsprobe wird in einem Chip-Kanal platziert, und dort wir ein elektrisches Feld angelegt, in dem die unterschiedlichen Nanopartikel auf charakteristische Weise unterschiedlich schnell wandern. Nach einer Trennstrecke von etwa eineinhalb Zentimetern trifft dann ein Laserstrahl auf die Partikel. Dort werden dann die leuchtenden Fluorophore des ausgeklappten Molecular Beacons gemessen, die an der Viren-RNA andocken konnten.

„Die unterschiedlichen Bestandteile der Probe kommen zu unterschiedlichen Zeitpunkten beim Laser an, erst dadurch kann man sichergehen, dass man genau misst, was man eigentlich messen möchte“, erklärt Günter Allmaier. „Damit können wir nun beispielsweise zeigen, welches Ende der RNA zuerst aus dem Virus austritt, und wie dieser Prozess genau abläuft.“

Im Prinzip lässt sich die Methode, die im Rahmen eines FWF Projektes gemeinsam mit der Forschungsgruppe Dieter Blaas (Medizinische Universität Wien) entwickelt wurde, auch auf alle anderen Viren anwenden. „Uns geht es um die Entwicklung der Methode, als Testobjekt ist das Schnupfenvirus geradezu ideal“, meint Allmaier. „Wir hoffen aber natürlich, dass sich diese Methode in der medizinischen Forschung etabliert. Dass sie großes Potenzial hat, haben wir nun gezeigt und zeigt sich auch in der Kooperation mit der Firma Agilent Technologies.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Analytical and Bioanalytical Chemistry

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Welser Automatisierungstechnik-Student optimiert Feuchtemessung in der Papierindustrie

Veröffentlicht am von

Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 08.06.2016

Der Welser Automatisierungstechnik-Student David Hrubicek entwickelt im Rahmen seiner Masterarbeit für die Senmicro GmbH ein neuartiges Feuchte-Messsystem für die Papierindustrie. Die Feuchtemessung zählt zu den wichtigsten Qualitätsparametern in der Papierproduktion. Bislang wurden die Papierbahnen berührungslos mittels Infrarot-Strahlung auf ihren Wassergehalt überprüft. Der aus Winklarn (NÖ) stammende Sensorik-Spezialist verwendet nun erstmals die NIR-Spektroskopie, die vor einigen Jahren noch in der Grundlagenforschung steckte. Die neue Feuchtemessung kann genauere Daten liefern.

Die Papierherstellung ist ein energieintensiver Prozess. Der Feuchtegehalt ist dabei ein wichtiger Prozessparameter und auch ein ausschlaggebendes Qualitätsmerkmal bei der Papierherstellung. Durch die Messung des Feuchtegehalts an bestimmten Positionen, kann der Vorgang der Papiertrocknung optimal geregelt und dadurch Energie sowie Ressourcen eingespart werden.

Betreuer ist selbst FH-Absolvent

Die Firma Senmicro GmbH ist Spezialist bei der Sensorentwicklung zur Messung des Feuchtegehalts von Papierbahnen. „An den Feuchtesensor werden viele Anforderungen gestellt: Er muss trotz Schmutz, hoher Temperatur und hoher Luftfeuchte schnelle, genaue und reproduzierbare Messwerte abliefern“, erklärt Senmicro-Firmenbetreuer Thomas Fink MSc. „Bisherige Sensorsysteme basierten ebenfalls auf Messungen im Infrarotbereich, jedoch nur bei einzelnen Wellenlängen. Mit der NIR-Spektroskopie wird nun das gesamte Wellenspektrum als Datenquelle herangezogen.“

Thomas Fink hat selbst auch vor einigen Jahren das Welser Automatisierungstechnik-Studium erfolgreich absolviert und greift nun auf die jungen Nachwuchs-Mechatroniker zurück. „Das Automatisierungstechnik-Studium bringt den Studierenden genau jene Sensor- und Mikrosystem-Qualifikationen bei, die wir in unserem Unternehmen benötigen. Daher verstärken wir uns gezielt mit Welser FH-Absolventen“, so Fink weiter.

Mathematische Berechnungen

„In meiner Masterarbeit teste ich ein neu auf dem Markt erschienenes, auf Mikrosystemtechnologie basiertes Interferometer für den Einsatz als Feuchtemessung in der Papierindustrie. Bislang war dieses Messgerät nur im Labor im Einsatz. Erstmals erfüllt es nun auch die Robustheit für den Einsatz in industrieller Umgebung. Es zeichnet gesamte Spektren der Infrarotwellen auf. Dazu entwickle ich komplexe mathematische Modelle, um die vielen, mehrdimensional gemessenen Daten verarbeiten zu können“, erklärt der 24-jährige David Hrubicek.

Funktioniert auch unter widrigen Umständen

„Zuerst werden die Modelle zwar auch im Labor entwickelt, anschließend wollen wir die Ergebnisse aber in der realen Papierproduktion bestätigen lassen. Wenn alles gut läuft, liefert die NIR-Spektroskopie viel genauere Daten – und das auch unter widrigen Umgebungsbedingungen, wie sie in einer Papiermaschine vorherrschen“, freut sich Hrubicek, der während des FH-Studiums bereits 30 Stunden bei der Senmicro GmbH arbeitet.

Externer Link: www.fh-ooe.at

Bessere Farben und Lacke schneller entwickeln

Veröffentlicht am von

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2016

Wandfarben und -lacke zu entwickeln, ist für Hersteller eine große Herausforderung: Sie können mit Hilfe von Proben lediglich abschätzen, wie sich die Dispersion im Reaktionsbehälter verhält. Durch eine Kooperation von Fraunhofer-Forschern mit der PDW Analytics GmbH ist es nun erstmals möglich, die Produktion von Farben, Lacken und Klebstoffen kontinuierlich und in Echtzeit zu überwachen – und die Prozesse effizienter zu gestalten.

Wandfarbe ist nicht gleich Wandfarbe – das weiß jeder, der schon mal mit Schnäppchen-Farbe eine bunte Wand weißen wollte. Während qualitativ hochwertige, teure Farben bestens decken, schimmert bei Billigprodukten der alte, bunte Anstrich hindurch. Beim Auftragen, beim Trocknen und beim Glanz sind die Unterschiede groß. Die Eigenschaften einer Wandfarbe hängen stark davon ab, wie groß die darin enthaltenen Partikel sind – beispielsweise Füllstoffe, Bindemittel, Pigmente oder Zusatzstoffe. Bei der Entwicklung neuer Farben wollen Hersteller daher genau wissen, was in den Reaktionsbehältern vor sich geht und wie sich die Partikelgrößen im Laufe des Prozesses verändern. Die Hersteller nehmen eine Probe der Farbe, verdünnen und prüfen diese. Das ist zeitintensiv. Währendessen kann sich die hergestellte Dispersion verändern. Zudem beeinflusst das Verdünnen die Probe. So können die Teilchen beispielsweise zu größeren Partikeln verklumpen. Man kann daher nicht sicher davon ausgehen, dass die Partikelgröße in der Probe mit der im Reaktionsbehälter übereinstimmt.

Jederzeit wissen, was im Reaktionsbehälter geschieht

Künftig geht das einfacher, schneller und präziser: Dann können die Hersteller Wandfarben, Lacke oder auch Klebstoffe erstmals inline analysieren. Sie brauchen also keine Probe zu ziehen, sondern können ihr Produkt direkt beim Herstellungsprozess fortlaufend in Echtzeit untersuchen. Möglich macht dies ein neuer Sensor, den die Mitarbeiter des Potsdamer Unternehmens PDW Analytics GmbH entwickelten, und den Forscher vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP in ihr bestehendes Prozessentwicklungssystem integriert haben. »Dies ist eine weltweit einzigartige prozessanalytische Detektionsmethode, mit der wesentliche Parameter bei der Herstellung von Farben, Lacken und Klebstoffen direkt inline und kontinuierlich erfasst werden können«, sagt Dr. Antje Lieske, Abteilungsleiterin am IAP. »Somit können wir die Prozesse weitaus besser verstehen, sie effizienter gestalten und Fehlproduktionen vermeiden.«

Hardware trifft auf Know-how

Das Herzstück der Technologie, der Sensor, basiert auf der Photonendichtewellen-Spektroskopie – einem Verfahren von PDW Analytics. Das Prinzip: Über optische Fasern strahlt der Sensor Laserlicht in die flüssige Wandfarbe ein. Die Intensität des Lichts wird bis in den Gigahertz-Bereich moduliert. Nun analysiert die Methode wie sich das Licht – abhängig von der Frequenz – in der Flüssigkeit ausbreitet. Aus diesen Daten wird ermittelt, wie groß die einzelnen Partikel sind. Referenzsysteme haben die Forscher am IAP erstellt: Verschiedene Proben, deren Partikel eine fest vorgegebene Größe hatten, wurden erfolgreich mit der Photonendichtewellen-Spektroskopie vermessen.

Mit dem Sensor stellen die Forscher des IAP für Kunden Produktionsprozesse nach und analysieren sie. »Wir koppeln den neuartigen Sensor sowohl mit unserem bestehenden System als auch mit unserem Know-how«, erläutert Lieske. Für Suspensionen, deren Partikel zwischen einem Mikrometer und einem Millimeter groß sind, konnten die Wissenschaftler bereits seit Längerem neben Viskosität und Wärmefluss auch die Partikelgrößen im Prozess bestimmen. Ein Infrarotsensor detektierte zudem die chemischen Veränderungen und gab Aufschluss darüber, wie weit die chemischen Reaktionen bereits fortgeschritten sind. »Mit dem neuen Sensor sind wir nun auch in der Lage, Teilchengrößen über den gesamten relevanten Größenbereich von Nanometer bis Mikrometer im Prozess zu messen«, ergänzt Lieske.

Kunden können ihre Prozesse entweder im IAP untersuchen lassen, etwa bei Fragestellungen, die das Unternehmen nicht alleine lösen kann. Oder aber, da das ganze System transportabel ist, auch vor Ort im Unternehmen nutzen. Typische Fragestellungen sind: Lässt sich die Zeit für die Polymerisation verkürzen? Wie kann man Unsicherheiten im Prozess beseitigen und wie Materialeigenschaften verbessern – etwa dafür sorgen, dass der Klebstoff besser klebt oder die Wandfarbe besser deckt?

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juni 2016

Veröffentlicht am von

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:

Energy Within Environmental Constraints
David Keith (Harvard University) et al.
Start: 08.06.2016 / Arbeitsaufwand: 30-50 Stunden

Externer Link: www.edx.org