Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Porentief und wirklich rein" - Analyse von Nanosystemen eröffnet neue Anwendungen

04.04.2007
Sie haben die umweltschädigenden Phosphate verdrängt: Zeolithe, eine bestimmte Form der porösen Systeme, fangen jetzt den Kalk in Waschmitteln. Für die so genannten nanoporösen Silikatsysteme gibt es darüber hinaus viele andere wichtige Anwendungen, unter anderem in der Katalyse, der Chromatographie, also der Auftrennung von Stoffgemischen in ihre Bestandteile, und in der Gastrennung.

Die nanometergroßen Poren können aber auch genutzt werden, um darin molekulare Drähte als elektrische Leiter herzustellen oder zur Erzeugung des bisher kleinsten Farbstofflasers. Für alle diese Anwendungen ist die genaue Kenntnis der Anordnung der Poren und des Verhaltens von Gastmolekülen innerhalb des Porensystems essentiell. In einer Zusammenarbeit der Forschungsgruppen von Professor Christoph Bräuchle und Professor Thomas Bein am Department für Chemie und Biochemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München konnten die Wissenschaftler jetzt eine neuartige Untersuchungsmethode etablieren, wie in der April-Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Materials" (6/2007) berichtet.

Die Forscher brachten einzelne Fluoreszenzfarbstoffe - die Gastmoleküle - in die porösen Silikatmaterialien - die Wirtssysteme - ein, um dann die Diffusion der Farbstoffe abhängig von der Struktur des Wirtssystem zu untersuchen. "Die Art und Form der Bewegung der in die Poren eingebrachten Farbstoffe bildet direkt die Anordnung der nur Nanometer - das sind Milliardstel Meter - großen Poren im Silikat über große Bereiche ab", berichtet Christoph Bräuchle. "Diese Daten sind auf anderem Wege nicht zu erhalten."

Die erste Synthese von porösen Systemen mit einem Porendurchmesser von über zwei Nanometern liegt schon 15 Jahre zurück. Die schon seit längerem bekannten Zeolithe etwa - die Entkalker der Waschmittel - gehören zu den Systemen mit kleinerer Porengröße, in diesem Fall von bis zu 1,2 Nanometern. Damit ist man bei der Anwendung auf Gastmoleküle angewiesen, die in derart kleine Poren passen. Viele organische Verbindungen jedoch bestehen aus ausgedehnten Kohlenstoffsystemen, die mehr als einen Nanometer groß sind. "Deshalb war die Entwicklung von geordneten Gastsystemen mit einer Porengröße von zwei bis über 15 Nanometern eine außerordentliche Errungenschaft", so Thomas Bein. "Diese Materialien können ein viel weiteres Spektrum an Gastmolekülen beherbergen - was den Weg für viele Anwendungen poröser Wirt-Gast-Systeme ebnet.

... mehr zu:
»Gastmolekül »Molekül »Nanometer »Poren

Ein wichtiger Aspekt bei vielen dieser neuartigen, so genannten mesoporösen Materialien ist aber, dass sie nicht über lange Bereiche periodisch angeordnet sind, sondern dass die periodische Porenanordnung nur in kleinen Domänen auftritt. Somit kann die sonst eingesetzte Standardmethode der Röntgendiffraktometrie zwar die globale Struktur des Wirts ermitteln, nicht aber die Details der lokalen Struktur, die für den Transport und das Verhalten der Gastmoleküle entscheidend sein können. Mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) kann man zwar in kleinen Bereichen die lokale Struktur wie z.B. Domänengrenzen, Krümmungen von Kanälen oder Übergänge zu anderen Strukturen beobachten, nicht jedoch das Innere einzelner Kanäle so wie es Gastmoleküle 'erfahren'."

Hier aber kommt nun die neu entwickelte Methode ins Spiel. "Dank der Einzelmoleküldiffusion können wir große Regionen von bis zu 50 mal 50 Mikrometern, das sind Millionstel Meter, beobachten", so Bräuchle. "Zusätzlich zur Porenstruktur geben die Spuren der einzelnen Moleküle aber auch Aufschluss über die Dynamik der ablaufenden Diffusionsprozesse und über die Verknüpfung und Zugänglichkeit der einzelnen Kanäle im mesoporösen Material. Auch die Domänenstruktur wird zum ersten Mal über große Bereiche sichtbar gemacht und sogar Sackgassen für die Diffusion der Moleküle können entdeckt werden."

Ein weiterer, sehr interessanter Aspekt ist, dass die Wissenschaftler eine Serie von ähnlichen Materialien mit unterschiedlicher Porentopologie untersuchen konnten. Diese Topologie lässt sich bei der Herstellung des Systems einstellen. "Wir haben die Syntheserezepte systematisch variiert und dabei zeigen können, dass es einen Zwischenbereich gibt, in dem zwei Strukturen in derselben Probe koexistieren", berichtet Johanna Kirstein, die Erstautorin der Studie. "Die Koexistenz der beiden Phasen konnten wir direkt in der Einzelmolekülfluoreszenz entdecken, da sich die Moleküle in diesen beiden Phasen sehr unterschiedlich verhalten. So bewegen sich die Moleküle im so genannten hexagonalen System ähnlich einem dichten Bündel von Makkaroni entlang der Kanäle und rotieren dabei frei, während sie sich im lamellaren System mit übereinander gestapelten Schichten senkrecht zu den Silikaschichten ausrichten. In letzterem Fall diffundieren sie unstrukturiert und um zwei Größenordnungen langsamer als die Moleküle in der hexagonalen Phase. Interessanterweise sehen wir auch, dass ein und dasselbe Molekül zwischen den Phasen wechseln kann, also strukturelle Defekte als Öffnungen zum Durchschlüpfen nutzt. Insgesamt erlaubt unsere Methode, die einfacheren wie auch die komplizierteren Systeme mit koexistierenden Phasen detailliert zu beschreiben."

Publikation:
"Exploration of nanostructured channel systems with single-molecule probes",
Johanna Kirstein, Barbara Platschek, Christophe Jung, Ross Brown, Thomas Bein and Christoph Bräuchle, Nature Materials, 2007, volume 6, number 4, pages 303-310.
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Christoph Bräuchle
Department für Chemie und Biochemie, LMU München
E-Mail: Christoph.Braeuchle@cup.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Gastmolekül Molekül Nanometer Poren

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise