Kurzbeschreibung

Der Spot zeigt die Herstellung, Charakterisierung und Funktionalisierung von Nanopartikeln, die für die multimodale Bildgebung in der Krebsdiagnostik u. Therapiekontrolle geeignet sind. Es wird auf spezielle Verfahren in der Tumordiagnostik anhand eines Mausmodells und am Menschen eingegangen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Nanomaterialien erlangen im medizinischen Bereich zunehmend an Bedeutung. So eignen sie sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften hervorragend als Transportvehikel für medizinische Wirkstoffe, da sie aufgrund ihrer geringen Größe praktisch ungehindert im Körper wandern können. Eine gezielte Oberflächenmodifizierung ermöglicht das Anbringen von speziellen Sonden und zielsuchenden Moleküle, was die Partikel für verschiedenste Anwendungsbereiche interessant macht. Für das Gebiet der Tumordiagnostik beispielsweise können Radiometalle und/oder Farbstoffe sowie eine Vielzahl tumorspezifischer Moleküle – wie Peptide, Proteine oder Antikörper – auf der Partikeloberfläche immobilisiert werden. Damit ist dann eine zielgenaue Differenzierung von kranken (Tumore) und gesunden Bereichen  durch bildgebende Verfahren wie Positronen-Emissions-Tomographie (PET), PET/Magnetresonanz-Tomographie (MRT) und/oder Single-Photonen-Emissions-Computer-Tomographie möglich.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Neben etablierten Anwendungsbereichen – wie der Halbleiterindustrie, den Materialwissenschaften oder dem Life Science Sektor werden Nanopartikel zunehmend im medizinischen Bereich als Transportvehikel für eine personalisierte Verabreichung von Medikamenten genutzt. Ein Schwerpunkt stellt hier die Entwicklung von biofunktionalisierten Nanopartikeln zur Anwendung in der Tumordiagnostik dar. Beim Einsatz von neuen Nanometer-großen maßgeschneiderten Materialien sind für diese Produktklasse viele positive Einflüsse insbesondere auf den Gebieten Gesundheit und Umwelt zu erwarten, wobei aber auch eine kritische Risikobewertung vorgenommen werden muss. Für unseren speziellen Angewendungsfall, Nanoteilchen als spezifische Transportvehikel für die Bildgebung zu verwenden, wird eine höhere Trefferwahrscheinlichkeit im Vergleich zu bisherigen Verfahren erwartet. Darüber hinaus weisen derartige Teilchen das Potenzial auf, gleichzeitig in der Diagnostik und Therapie eingesetzt zu werden.

Kurzbeschreibung

Der animierte Kurzfilm zeigt, wie Nanotransporter für den Transport und die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen in Zellen genutzt werden. Als Transporter dienen poröse Silikakugeln, in die Wirkstoffe eingelagert, im Inneren der Transporter eingeschlossen, und dann am Zielort gezielt freigesetzt werden.

Wissenschaftlicher Hintergrund/Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Der animierte Kurzfilm zeigt, wie Nanotechnologie das Leben des Menschen verändern könnte, indem sie uns die Möglichkeit gibt, Wirkstoffe mit Hilfe nanoskopischer Transporter gezielt an bestimmten Orten im menschlichen Körper freizusetzen, und somit zum Beispiel Nebenwirkungen von Medikamenten zu unterdrücken. Was sich zunächst nach Hightech anhört, stellt sich als ein gezieltes Design unter Zuhilfenahme einfacher, bereits in der Natur vorkommender Stoffe und Konzepte heraus. So sind die Transporter im Prinzip nichts anderes als winzige, poröse Glas- oder Sandkugeln, in deren Poren Wirkstoffe eingelagert werden können. Als Schutzhülle und gleichzeitig Verschluss der Transporter dienen Lipide, also Stoffe wie beispielsweise Fette, die bereits im Körper vorkommen und dort ebenfalls der Abgrenzung verschiedener funktioneller Einheiten eines Organismus dienen. Zur gezielten Freisetzung der Wirkstoffe dienen Moleküle, die den Farbstoffen von Blättern oder roten Blutkörperchen ähneln.

Kurzbeschreibung

Die Arbeitsgruppe um Prof. Lindhorst entwickelt kleinste mit Licht schaltbare Einheiten auf molekularer Basis (Nano-Schalter), die beim Verstehen des bakteriellen Adhäsionvorgangs („Andocken“) an Zellen helfen. Diese Forschung kann dazu beitragen Krankheitserreger wie EHEC frühzeitig behandeln zu können.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Der Kurzfilm zeigt die Arbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“ der CAU Kiel. Im SFB wird interdisziplinär an kleinsten schaltbaren Einheiten (Nano-Schaltern) gearbeitet. Diese können durch externe Stimuli, wie Temperatur oder Licht, „umgelegt“ werden. Im konkreten Fall werden die Schalter eingesetzt, um den Vorgang der Zelladhäsion, das „Andocken“ von Bakterien an Zellen, besser verstehen zu können. Hierbei spielt die Glycocalyx, eine „Zuckerschicht“ auf der Zelloberfläche, eine wichtige Rolle. Die gezielte Steuerung ihrer Struktur gibt Auskunft darüber, wie die Adhäsion der Bakterien verläuft. Dies ist wichtig, um Medikamente gegen Krankheitserreger wie EHEC entwickeln zu können. Betrachtet wird hierbei die Formveränderung der Schicht durch steuerbare, reversible Nano-Schalter. Genauer gesagt handelt sich um photosensitive Azoverbindungen, die neben dem sichtbaren Farbwechsel gleichzeitig ihre Struktur ändern können.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Die Erlangung von Einblicken in die Mechanismen der Zelladhäsion und der in diesem Forschungsvorhaben angestrebten Kontrolle über diesen Vorgang, ist für viele Anwendungen für den Menschen von großer Relevanz. Z.B. wenn auf Implantaten bakterielle Besiedelung unterbunden werden muss, während das Aufwachsen von körpereigenen Zellen möglichst gewährleistet werden sollte. Zur Entwicklung neuartiger Medikamente wird die Tür aufgestoßen. Es können neue Wege bei der Behandlung von gefährlichen Stämmen des Bakteriums E.coli (EHEC) gegangen werden. Ohne neuentwickelte molekulare Nano-Schalter, die durch einen externen Schaltprozess gesteuert werden können, wäre dieser neue Weg nicht möglich. Der Mensch ist hierbei unmittelbar zwischen Nano-Wissenschaft und Natur geschaltet.

Kurzbeschreibung

Ein spekulatives Produkt aus der Zukunft wird vorgestellt: die “Nanonase”. Dabei handelt es sich um ein Nanosystem, das als Gassensor, Filter oder zur aktiven Geruchsmodifikation in der Nase eingesetzt wird. Gerade steht ein neues Update bereit und eine Videobotschaft wird weltweit versendet!

Wissenschaftlicher Hintergrund

Der Film „Nanonase” ist Science-Fiction und wurde in einem interdisziplinären Team erarbeitet. Der Film bewegt sich an der Schnittstelle zwischen Kunst & Wissenschaft, zwischen Fakt & Fiktion.
Das Thema Nanotechnologie wird in Wissenschaft und breiter Öffentlichkeit bereits vielfach diskutiert, z.B.: “Eine unkonventionelle Podiumsdiskussion über Nanotechnologie, Veranstaltung 2006, aus dem Archiv der ETH Alumni, umweltalumni.ch”. Weil die Forschungsfelder der Nanowissenschaften sehr weit gefächert sind, wurde exemplarisch ein Themenbeispiel ausgewählt.
Der Begriff “Nanonase”  ist bereits verwendet worden, wobei damit die Erfassung von Molekülen mittels Nanosensoren verstanden wird: “Nanonase riecht Krankheiten, Horizonte, Das Schweizer Forschungsmagazin Nr. 67, S. 5, 2005″.  Durch den Film wird die “Nanonase” in einen fiktiven Zusammenhang gestellt und es werden erweiterte technologische und gesellschaftliche Fragen gestellt.
Der Film mit seiner fiktiven Fortführung von wiss. Fakten begreift sich als Methode zur Zukunftsdiskussion gemäß “Science Fiction Prototyping, Brian D. Johnson, Morgan & Claypool Publishers, 2011″.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Einige Mitglieder aus dem Team sind an der TU Hamburg-Harburg  oder mittlerweile am Massachusetts Institute of Technology als Materialwissenschaftler tätig und sind beispielsweise mit Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) und Faserverbundwerkstoffen beschäftigt. Andere Teammitglieder sind Designer: sie manifestieren mögliche Zukünfte in spekulativen Produkten. Außerdem waren Filmemacher am Projekt beteiligt.
Sowohl das experimentelle Vorgehen, als auch der interdisziplinäre Projektcharakter waren bei der Projektgestaltung im Sinne der Ausschreibung von besonderer Bedeutung. Es wurden dadurch die klassischen Grenzen zwischen den Disziplinen überwunden und die Verbindung von  Kunst und Technik realisiert.
Der Film macht sich auf den Weg einer Gradwanderung und verläuft dabei an der Linie zwischen wissenschaftlichen Fakten und hypothetischen Zukunftsszenarien. Er bietet damit das Potential zur Eröffnung einer breiten gesellschaftlichen Debatte.

Kurzbeschreibung

Was ist eigentlich dieses \”Nano\”? Nano ist vieles und immer mehr als man denkt. Nano war auch schon immer da und wenn man geschickt damit umgeht, können großartige Dinge entstehen. Das zeigt sich am Beispiel der Carbonnanotubes oder an Nanopartikeln, die einen nachhaltigen Umgang mit Rohstoffen ermöglichen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Ziel des Filmes ist, fachfremden Menschen einen Einblick in die Welt der Nanotechnologie zu bieten. Dabei findet eine Reduktion auf auch ohne Vorkenntnisse erkennbare Zusammenhänge statt, um so ausgewählte Effekte der Nanotechnologie anschaulich darzustellenden sowie ihre interessante und gleichsam faszinierende Bedeutung zu beleuchten.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Die öffentliche Auseinandersetzung mit Nanoengineering schwankt zwischen voreiligen Urteilen vermeintlicher Gefahren und futuristischen Visionen von Weltraumaufzügen. \”Was ist Nano\” zeigt, dass Nanotechnologie ein großer Schritt dorthin ist, den vermeintlichen Gegensatz zwischen Natur und technologischem Fortschritt in beidseitigen Nutzen aufzulösen. Ihre Effekte sind keineswegs neu im menschlichen Umfeld, einzig der bewusste Umgang ermöglicht es mittlerweile mit innovativer Technik naturfreundliche Lösungen zu finden.

Kurzbeschreibung

Der Film zeigt das kontrollierte Umformen von metallischen Nanowürfeln im Rasterelektronenmikroskop mit dem Ziel winzige Bauteile herzustellen. Der Vergleich eines Nanowürfels mit einem menschlichen Haar veranschaulicht dabei eindrücklich das Größenverhältnis.  Materialien im Nanobereich unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von denen in der makroskopischen Längenskala. Besonderheiten wie die vernachlässigbare Gewichtskraft (Manipulation und Positionierung beruht allein auf Adhäsionskräften) oder die im Makroskopischen undenkbare  enorme Festigkeit und Duktilität werden im Film dargestellt. Verschiedene Schmiedeverfahren zeigen den aktuellen Stand der Umformtechnik im Nanobereich und werden zur Veranschaulichung dem historischen Schmieden gegenübergestellt. Eine Einordnung (Makro->Mikro->Nano)  in Bezug auf bekannte mechanischer Systeme illustriert das Potential des Nanoschmiedens und gibt einen Ausblick auf ein mögliches Anwendungsfeld in  mechanischen Nano-und Mikrosystemen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Das Verfahren „Schmieden metallischer Nanoteilchen“ wurde am Institut für Werkstoffe in Braunschweig entwickelt. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist die Forschung am IfW einzigartig auf diesem Gebiet.  Grundsätzlich umfasst das Projekt zwei  Forschungsschwerpunkte:

Zum einen wird das Umformen/Schmieden als mögliches Fertigungsverfahren für freistehende Strukturen im Nanobereich untersucht. Dabei werden unterschiedlicher Umformtechniken für die Herstellung  verschiedenster Bauteile entwickelt. Ziel ist die zurzeit noch getrennt und manuell gesteuerten Prozesse in einer Art Nanofabrik  zusammenzuführen und zu automatisieren.

Zum anderen stellt die Untersuchung der Materialeigenschaften im Nanobereich einen wichtigen Forschungsschwerpunkt dar. Insbesondere das mechanische Verhalten wird in Druckversuchen erforscht. Im Gegensatz zum makroskopischen Material mit gleicher Zusammensetzung  zeigen die betrachteten Nanoteilchen um ein Vielfaches höhere Festigkeiten (>2500 MPa) und sind dabei äußerst duktil mit enorm hohen  erreichten Umformgraden (ϕ>|1|).  Das ermöglicht das Umformen bei Raumtemperatur und gewährleistet zukünftig hochfeste geschmiedete Bauteile. Gründe hierfür sind die Struktur der Nanopartikel und im Besonderen das kleine Materialvolumen, für welches die Wahrscheinlichkeit von inneren Defekten verschwindend gering im Gegensatz zu makroskopischen Materialien ist.

Herstellung

Bei den Nanowürfeln handelt es sich um die γ ‘-phase der einkristallinen Nickelbasis Superlegierung CMSX-4. Die Teilchen mit der Stöchiometrie Ni3Al(Ti, Ta) werden elektrochemisch von der Matrix separiert und in Methanol dispergiert. Es handelt sich hierbei um Millionen von dispergierten Teilchen, die mit einem Tupfer auf einem Silizium-Substrat appliziert werden. Das Methanol verdampft, sodass allein die Nanowürfel auf dem Substrat zurück bleiben. Aus der großen Anzahl der regelmäßig geformten Nanowürfel wird schließlich ein einziger für das Schmieden ausgewählt.

Technik

Erst in einem Rasterelektronenmikroskop können diese Nanowürfel sichtbar gemacht werden und in situ mit einem hochpräzisen Manipulatorsystem und speziellen Werkzeugen positioniert und umgeformt werden. Analog zum Massivumformen im Makroskopischen kann zwischen ebenen Flächen (Freiformen) oder in Vertiefungen (Gesenkformen) geschmiedet werden. Der Materialfluss ermöglicht die Abbildung der jeweiligen Form. Beispielsweise konnte mittels Freiformen aus einem Nanowürfel mit einer Kantenlänge von 300 nm ein Plättchen mit einer Dicke von nur etwa 30 nm geschmiedet werden. Das Gesenkformen ermöglicht die getreue Abbildung der Gesenkkontur in nur einem Umformschritt und ist damit äußerst schnell und präzise.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Das Schmieden stellt eines der ältesten Fertigungsverfahren dar. Schon mehrere 1000 Jahre v. Chr. machten sich die Menschen die Umformtechnik zum Formen von Blechen aus Gold, Silber und Kupfer zu nutze. Mit der Verhüttung des Eisenerzes konnten auch mechanische hochbeanspruchte Werkzeuge und Maschinen durch Schmieden hergestellt werden.  Mit dem Schmieden wird meist ein dunkler rußiger Raum und ein Schmied vor einem Feuer assoziert, der mit den kräftigen Schlägen seines Hammers ein hellglühendes Stück Metall in einer Zange auf dem Amboss bearbeitet. Dieses Bild des historischen Schmieds wird im Film dem des „Nanoschmieds“ gegenübergestellt, der in einem sauberen und klimatisierten Raum mithilfe eines Rasterelektronenmikroskops und eines Mikromanipulatorsystems unglaublich kleine Schmiedeteile im Nanobereich ohne Erwärmung umformt. Dabei haben die benutzten Werkzeuge die gleiche Bedeutung wie Hammer (abgeflachte Wolframnadel), Zange (äußerst feine, spitze Wolframnadel) und Amboss (Si-Substrat) des historischen Schmiedes. Nebenbei ist Film-Autor und Projektverantwortlicher Andreas Landefeld  in seiner Freizeit auch leidenschaftlicher Hobby-Schmied (siehe Video) und kann somit sehr gut die historische- als auch die innovative (nano) Interpretation des Schmiedens nachvollziehen.

Es  sind in der Nanoskala Besonderheiten wie die Adhäsionskraft derer Einfluss größer als die der Gewichtskraft ist und welche die winzigen Partikel auch „kopfüber“ an ihren Ort, in oft unwirklicher Position hält. Oder elektrische Potentialunterschiede die Abstoßungs- und Anziehungseffekte  zur Folge haben und in dieser Form in der „sichtbaren“, makroskopischen Welt nicht zu beobachten sind.  Besonders hervorzuheben sind ebenso die mechanischen Eigenschaften der Nanowürfel. Im Nanobereich können bei Raumtemperatur Umformgrade erreicht werden, die im Makroskopischen nicht denkbar wären. Die enorme Festigkeit in Verbindung mit der exzellenten Umformbarkeit prädestinieren diese Nanowürfel zum Fertigen von Bauteilen durch das Schmieden.

Die möglichen Anwendungsgebiete sind vielfältig. Überall wo hohe Funktionsdichten auf möglichst kleinen Raum gewährleistet werden müssen oder in Bereichen in denen der der Einsatzort Ausdehnungen im Nano/Mikrobereich fordert und die Ressourcen begrenzt oder durch Kosten limitiert sind. Beispielsweise könnten winzige Maschinen im medizinischen Bereich Aufgaben wie den gezielten Transport von Medikamenten an ihren Wirkungsort übernehmen oder auch bei der Behandlung von Krebs helfen. Aufgrund ihrer sehr guten mechanischen Eigenschaften ist auch ein Einsatz in mechanisch beanspruchten Mikrosystemen wie Aktoren und Sensoren denkbar.

Die Herstellung von Baugruppen im Mikro- und Nanomaßstab, sowie die Nanotechnologie im Allgemeinen wird zukünftig viele Bereiche des Lebens revolutionieren. Dabei soll der Film dem Zuschauer einen Einblick in die Welt des Kleinen geben, sowie ein grundsätzliches Verständnis der Eigenarten und Besonderheiten im Nanobereich vermitteln und so auf eines der wohl spannendsten Forschungsgebiete aufmerksam machen.

Kurzbeschreibung

Wie funktioniert die spontane Selbstorganisation organischer Moleküle in Lösungen an Graphitoberflächen? Dieser Film zeigt, wie Adsorption, Diffusion und Vernetzung von Molekülen zu komplexen Strukturen führen. Diese modellhaften Abläufe sind essentiell für Erforschung und Bildung unseres Erbgutes.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Das Video soll die molekulare spontane Selbstanordnung organischer Moleküle auf einer Graphitoberfläche visualisieren. Insbesondere werden die chemischen und physikalischen Vorgänge im Nanometerbereich veranschaulicht, welche zu dieser Selbstanordnung führen. Prozesse wie Adsorption, Diffusion und Vernetzung von Molekülen zu komplexen Strukturen sind essentiell für die Entstehung des Lebens und führen zum Beispiel zur Bildung unseres Erbguts.

Gelöste Moleküle werden mit Hilfe einer Pipette auf eine Graphitoberfläche aufgebracht. Auf dieser Oberfläche führt eine Energieminimierung und ein Kräftegleichgewicht zu einer hexagonalen Struktur der gelösten Moleküle mit langreichweitiger Ordnung. Diese Schichten aus Molekülen einer Monolage lassen sich mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops abbilden und sichtbar machen. So führt die Beobachtung der chemischen und physikalischen Phänomene auf nanoskopischer Ebene zu einem grundlegenden Verständnis, um die so gewonnenen Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen nutzbar zu machen.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Die Bildung von DNA-Strängen ist direkt mit der Entstehung von neuem Leben verbunden. Diese Forschungsarbeit liefert einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Bildung von komplexen organischen Molekülen, wie sie auch in der DNA vorkommen. Die Beobachtung und computergestützte Visualisierung der genauen chemischen und physikalischen Phänomene auf nanoskopischer Ebene liefert ein besseres Verständnis für die Grundbausteine der menschlichen Existenz und somit einen wesentlichen Beitrag zum menschlichen Leben mit der Nanotechnologie.

Kurzbeschreibung

Nicht „Sehen“, sondern „Fühlen“ ist für das Verständnis und den Zugang zur Nanowelt wichtig. Als sehr empfindliche Fühler dienen hierzu die Tastspitzen von Rasterkraftmikroskopen, die wie Finger oder  Schallplattennadeln die Nanooberflächen abtasten.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Der Film zeigt Verbindungen zwischen “Sehen” und “Fühlen” im Makroskopischen wie im Mikroskopischen. Strukturen auf einer Oberfläche können bis zu einer gewissen Größe visuell betrachtet und mit Fingern abgetastet werden – etwa das Material Polystyrol (bekannt als \”Styropor\”). Anders im Mikroskopischen: Hier werden die Finger zur Tastspitze eines Rasterkraftmikroskops, die die Oberfläche abtastet. Wieder ist es Polystyrol – jetzt allerdings in Form von Nanokugeln (60 nm Durchmesser). Nach Wandlung der Messdaten am Computer werden die ertasteten Informationen als 3D-Bild für das menschliche Auge sichtbar.
Dem Betrachter wird vermittelt, wie ähnlich und doch unterschiedlich der gleiche Stoff in verschiedenen Vergrößerungen sein kann – ein Hinweis auf die besonderen Eigenschaften von Nano- im Vergleich zu Makrostrukturen. Der Film erinnert daran, dass nicht immer ausreicht, was unsere Augen uns liefern. Er reißt die Frage an, wie „real“ die faszinierenden Bilder der Nanotechnologie sind.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Der Zugang für uns Menschen zur “Nanowelt” ist nur über moderne Mess- und Mikroskopieverfahren möglich. Erst Geräte wie Rasterkraftmikroskope erlauben uns ein Herantasten. Sie ermöglichen die direkte Untersuchung von Nanostrukturen, deren Wechselwirkungen untereinander und mit Ihrer Umgebung. Der Film zeigt den Bezug zwischen “Sehen” und “Fühlen” sowie zwischen „Mensch“ und „Technik“.
Neben dem physikalischen Hintergrund bietet er gleichzeitig eine Metapher für unser Verhältnis zur Nanotechnologie. Die erste Hälfte des Films beschreibt die Ungewissheit, das Unbekannte, vielleicht auch das Unheimliche und Bedrohliche an der Nanotechnologie (visuell und akustisch: düster und beängstigend); in der zweiten Hälfte hellt sich die Stimmung auf – die Faszination und Schönheit der Nanostrukturen tritt hervor. Die Botschaft lautet: Die Nanotechnologie eröffnet Chancen, die wir ergreifen müssen, ohne dabei die Augen vor der Frage zu verschließen, ob stets alles so schön ist, wie es aussieht.

Kurzbeschreibung

Der Spot zeigt einen sensiblen und reproduzierbar funktionierenden Wasserstoffsensor auf Palladium-Basis. Wir verwenden Gold-Nanoantennen, in deren Fokus sich als wasserstoffsensitive Elemente winzige Palladiumzylinder (Durchmesser 60 nm, Höhe 40nm) befinden. Durch diese Anordnung wird die resonante Kopplung der Nanoantenne an den Zylinder genutzt, um winzige Änderungen der Palladium-Eigenschaften bei Kontakt mit Wasserstoff zu verstärken und mit optischen Mitteln sichtbar zu machen.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Wasserstoff ist im Rahmen einer zunehmend regenerativ orientierten Weltwirtschaft einer der wichtigsten Energieträger, da seine Verbrennung mit Sauerstoff nichts als biologisch unbedenklichen Wasserdampf erzeugt.
Diesem hohen Nutzwert von Wasserstoff stehen allerdings erhebliche Gefahren gegenüber: Bei Konzentrationen zwischen 4% und 77% bildet Wasserstoff in Luft ein hochexplosives Gemisch und es kann zu einer sogenannten „Knallgasreaktion“ kommen. Dieses explosive Verhalten war der Grund für den Absturz des Luftschiffs „Hindenburg“ und auch für die Explosionen im Kernkraftwerk von Fukushima.
Für einen sicheren Umgang mit Wasserstoff ist es also essentiell, kontinuierlich seine Konzentration überwachen zu können und diese ständige Detektion muss zuverlässig schon bei geringsten Konzentrationen erfolgen. Zur Realisierung eines solchen hochsensitiven Sensors nutzen wir ein neuartiges nanophotonisches Sensorkonzept, welches in einer kürzlich erfolgten Publikation unserer Gruppe (Na Liu et al., Nature Materials 10, 631–636 (2011)) beschrieben wird.
Das Herzstück des Sensors besteht aus dreieckigen Gold-Nanoantennen (Seitenlänge 110nm), die das einfallende Licht auf einen Bereich von nur wenigen Nanometern Größe fokussieren. In diesen Nanofokus werden winzige Palladiumzylinder (Durchmesser 60nm, Höhe 40nm) positioniert, die ihre physikalischen Eigenschaften bei Absorption von Wasserstoff ändern.
Wenn sich bereits geringe Mengen Wasserstoff in das Palladium einlagern, dehnen sich die Palladiumzylinder aus und ihr optisches Verhalten (ihr Brechungsindex) ändert sich. Diese Änderungen werden mithilfe der Nanoantenne detektiert. Hierbei nutzen wir einen Effekt aus, der als „Plasmonresonanz“ bekannt ist:
Wird eine Metall-Nanostruktur mit Licht der passenden Wellenlänge angeregt, können sich kollektive Schwingungen der Elektronen im Metall ausbilden. Eine solche Resonanz macht sich als scharfes Signal im reflektierten Spektrum und durch eine starke Überhöhung des elektrischen Feldes rings um die Nanostruktur bemerkbar. Wegen dieser Feldüberhöhung und der durch die dreieckige Form bedingten Nanofokussierung wird die Resonanz stark von ihrer direkten Umgebung und damit von den Veränderungen im Palladiumzylinder beeinflusst.
Die bereits genannte, wasserstoffbedingte Vergrößerung des Palladiumzylinders führt nun also zu einer deutlichen spektralen Rotverschiebung der Resonanzfrequenz. Durch Messung des an der Sensorstruktur gestreuten Lichts kann diese Verschiebung bestimmt und somit die Wasserstoffkonzentration mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
Durch die Schärfe der plasmonischen Resonanz und die einfache Detektierbarkeit optischer Signale ist es uns damit gelungen, einen zuverlässigen und hochsensitiven Wasserstoffsensor herzustellen.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

“Leben mit nano” interpretieren wir so, dass wir uns die Frage stellen: Wie kann man Nanotechnologie nutzen, um das Leben von jedem einzelnen von uns besser zu machen?
“Grüne Mobilität” ist ein großes Thema, die Folgen der Klimaerwärmung werden langsam spürbar – und aktuell ärgern wir uns auch alle über die zu hohen Spritpreise. Seit einigen Jahren wird nun schon an Alternativen zu fossilen Energieträgern geforscht, wobei vor allem Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft angesehen wird.
Der große Vorteil von Wasserstoff sind seine unschädlichen Verbrennungsprodukte – Wasser. Sein großer Nachteil ist allerdings seine hohe Explosivität. Damit der „grüne Energieträger“ Wasserstoff in unseren Alltag Einzug erhalten kann, ist es fundamental wichtig, schnelle und zuverlässige Wasserstoffsensoren zu entwickeln, die auch schon kleinste Mengen des explosiven Gases detektieren können. Unser Kurzfilm zeigt eine Möglichkeit, wie ein solcher Sensor aussehen könnte.
“Der Mensch zwischen Natur und Hightech” klingt wie ein Spannungsfeld, doch bei genauerer Betrachtung liegen Natur und Hightech gar nicht so weit auseinander. Damit der Mensch weiterhin eine intakte Natur genießen kann, ist heutzutage Hightech notwendig. Wir benötigen Hightech, um die Fehler unserer Vergangenheit rückgängig zu machen, wir benötigen Hightech, um in unserer Zukunft diese Fehler nicht mehr begehen zu müssen.
Das von uns vorgestellte Stück Hightech ist ein kleiner Schritt in eine grünere, eine bessere Welt. Ein Schritt hin zur Natur.

Kurzbeschreibung

Kernaussage des Films ist die Entdeckung zweier Doktoranden der Universität Leipzig: Was nämlich einzelne Nanopartikel in der thermischen Mikroskopie sichtbar macht. Markus Selmke und Marco Braun haben herausgefunden, dass Partikel im Lichtmikroskop sichtbar werden, wenn sich mit der Erhitzung durch einen Laser eine Linse um die Partikel herum bildet. Der Film nähert sich diesem Thema mit der Frage nach der Größe und Sichtbarkeit von Nanopartikeln überhaupt.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Objekte auf Nanometerskala werfen keinen Schatten bei Beleuchtung mehr. Das Licht wird an ihnen gestreut, je kleiner die Partikel, desto weniger bis die Partikel nahezu vollkommen unsichtbar sind. Solche Nanopartikel sind kaum in der Mikroskopie zu erkennen und erfordern neue optische Methoden. Die photothermische Mikroskopie nutzt dazu die Absorption von Licht durch die Nanopartikel. Das absorbierte Licht wird in Wärme umgewandelt und verändert die Temperatur und damit die optischen Eigenschaften in seiner Umgebung. Dadurch erscheint das Nanoobjekt größer und wird detektierbar. Der eigentliche Effekt ist allerdings noch diffizieler, da auf der Längenskala von wenigen Nanometern die Wellennatur des Lichtes hervortritt. Licht wird gebeugt und erzeugt komplexe Interferenzstrukturen. Markus Selmke und Marco Braun haben herausgefunden, dass der spezielle räumliche Verlauf der optischen Brechkraft um das Nanopartikel Effekte erzeugt die einer makroskopischen Zerstreuungslinse entsprechen obwohl man sich auf der Nanometerskala befindet.

Erklärung/Bezugnahme zur Fragestellung des Wettbewerbs

Unser Thema stellt hoch aktuelle Forschung in den Vordergrund.  Erst im März haben die zwei Doktoranden der Universität Leipzig, Marco Braun und Markus Selmke, ihre Ergebnisse veröffentlicht: Einzelne Nanopartikel werden aufgrund einer thermische Linse sichtbar. Durch den Film ist es möglich, dieses  Forschungsergebnis einem Laienpublikum zugänglich zu machen.

Ich habe mich als Journalistin, die für das 3sat-Magazin “nano” arbeitet, schon öfter gefragt, wie man denn einen Film über diese so winzig kleinen und damit eben nicht sichtbaren Teilchen machen könnte. Somit hat mich diese Entdeckung der beiden Wissenschaftler interessiert, die nicht nur wissen, wie man Nanopartikel sichtbar machen kann sondern auch, warum das passiert.

“Leben mit Nano” stellt für mich vor allem die Frage: Hilft diese Technologie dem Menschen oder nicht? Und um in dieser Frage einen Schritt weiter zu kommen, braucht es Grundlagenforschung, die herausfindet, was mit den Partikeln z.B. im menschlichen Körper passiert. Sind sie sichtbar gemacht, kann man ihre Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit verfolgen; etwa in lebenden Zellen.