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Graphen bietet neue Funktionen für elektronische Nanogeräte

Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Bern und des National Physical Laboratory (NPL, UK) eröffnet der nächsten Generation von nanoelektronischen Geräten neue Wege: Der «Wunderstoff» Graphen macht Innovationen auf verschiedensten Gebieten wie der Umwandlung und Speicherung von Energie oder flexiblen Touchscreens möglich. So können noch kleinere und effizientere Geräte entwickelt werden.

Der Forschungsbereich der molekularen Nanoelektronik zielt darauf ab, einzelne Moleküle als «Bausteine» für elektronische Geräte zu nutzen, deren Funktionen zu verbessern und die Entwicklung möglichst kleiner und dennoch kontrollierbarer Geräte zu ermöglichen. Das Haupthindernis, das bisher konkrete Fortschritte erschwerte, bestand in der fehlenden stabilen Verbindung zwischen den Molekülen und den verwendeten Metallen bei Raumtemperatur. Graphen, das oft als «Wundermittel» bezeichnet wird, besitzt nicht nur eine hervorragende mechanische Stabilität, sondern auch eine ausserordentlich hohe elektronische und thermische Leitfähigkeit, womit das zweidimensionale Material für eine Vielzahl möglicher Anwendungen in molekularer Elektronik attraktiv ist.
Ein Forschungsteam der Universität Bern, des National Physical Laboratory (NPL) und der University of the Basque Country (UPV/EHU, Spanien), unterstützt von Forschenden der Chuo University (Japan), hat es nun einen Durchbruch geschafft: Sie konnten eine auch bei Raumtemperatur stabile Verbindung zwischen Graphen und einzelnen Molekülen demonstrieren. Dies war mit den bisher standardmässig verwendeten Metallen nicht möglich und stellt daher einen wichtigen Schritt im Hinblick auf die Entwicklung von graphenbasierten elektronischen Geräten dar. Die Resultate wurden nun im Journal Science Advances publiziert.

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Minireagenzgläser aus Wassertropfen

Moderne Labortechnik kann nicht nur helfen, neue Medikamente zu entwickeln, sondern auch Diagnosen schneller und exakter zu stellen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben eine Laborausstattung entwickelt, welche die Suche nach Wirkstoffen und das Untersuchen von Zellproben viel einfacher und bis zu hundertmal günstiger macht als bisher.

So wird es möglich, Behandlungsmethoden den individuellen Bedürfnissen von Patienten besser anzupassen. Die Karlsruher Forscher haben eine Möglichkeit gefunden, sogenannte Hochdurchsatzscreenings, bei denen in Laboren parallel tausende von Proben durchgetestet werden, ohne die bislang dafür notwendige sehr aufwendige und teure Robotik durchzuführen.
Der Chemiker Pavel Levkin vom Institut für Toxikologie und Genetik (ITG), an dem Biologen, Chemiker und Physiker gemeinsam forschen, hat eine Oberfläche entwickelt, auf der sich wässrige Lösungen selbstständig zu tausenden separaten Tröpfchen anordnen. «Auf einem Droplet-Microarray (DMA) können biologische Proben wie etwa Gewebe aus einer Biopsie einem Wirkstoff-Screening unterzogen werden», sagt Simon Widmaier vom ITG. Jeder einzelne Tropfen dient dabei als eine Art Reagenzglas für biologische Experimente. Pipettierroboter und Pipettenspritzen, bis dato unverzichtbar, sind überflüssig. «Ein einzelner Labormitarbeiter kann jetzt innerhalb weniger Sekunden tausende Wirkstoff-Screeningexperimente ausführen.» Das Einsparpotential, das die neue Technik bietet, ist laut Widmaier enorm: «Ein Pipetierroboter kostet mehrere 10.000 Euro und muss von einem Experten bedient werden.» Jeder Pipettierschritt koste allein durch den Verbrauch einer einzigen Pipettenspitze fünf bis sieben Cent.

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MIRPHAB: Sensor-Boutique für Early Adopter

Pilotlinie für maßgeschneiderte Spektroskopie-Lösungen

Jede chemische Substanz absorbiert einen ganz individuellen Anteil infraroten Lichts. Wie ein menschlicher Fingerabdruck kann diese Absorption mit optischen Verfahren zum Identifizieren von Stoffen genutzt werden. Solche Verfahren finden beispielsweise in der chemischen Industrie, aber auch im Gesundheits-Bereich oder der Kriminalistik Verwendung. Plant ein Unternehmen ein neues Vorhaben, benötigt es dafür oft individuell zugeschnittene Sensorlösungen. Auf der Suche nach dem passenden System erhalten sie nun Unterstützung durch die EU-geförderte Pilotlinie MIRPHAB (Mid InfraRed PHotonics devices fABrication for chemical sensing and spectroscopic applications) für den Aufbau von Sensorik und Messtechnik im mittleren Infrarot (MIR), an der gleich drei Fraunhofer-Institute beteiligt sind.

Benötigt ein Unternehmen eine Sensorlösung, beispielsweise um einen bestimmten Stoff im Produktionsprozess zu identifizieren, hat es oftmals ganz individuelle Anforderungen. Dies beginnt bei den nachzuweisenden Stoffen und geht über die Anzahl der benötigten Sensoren bis hin zur Geschwindigkeit des Produktionsprozesses. Meist reicht dafür eine Lösung von der Stange nicht aus und es bedarf mehrerer Anbieter, um eine individuelle, optimale Lösung zu entwickeln. Hier setzt MIRPHAB an: In der Pilotlinie haben sich führende europäische Forschungsinstitute und Firmen aus dem MIR-Umfeld zusammengefunden, um Kunden maßgeschneiderte Angebote aus einer Hand machen zu können. Interessenten können sich an einen zentralen Ansprechpartner wenden, der dann, nach dem Baukastenprinzip, die bestmögliche Lösung aus dem Komponentenportfolio der MIRPHAB-Mitglieder zusammenstellt.

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Medizinische Bildgebung: Biosensor Zymonsäure zeigt pH-Wert-Veränderungen

Neue Einblicke in den Tumorstoffwechsel

Bei Tumoren, Entzündungen und Durchblutungsstörungen gerät der Säure-Basen-Haushalt des Körpers lokal aus dem Gleichgewicht. Diese Veränderungen des pH-Werts ließen sich etwa für die Erfolgskontrolle von Krebsbehandlungen nutzen. Bisher fehlt aber eine Bildgebungsmethode, um sie in Patienten sichtbar zu machen. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) hat jetzt einen pH-Sensor entwickelt, der mittels Magnetresonanztomographie (MRT) den pH-Wert abbildet – nicht-invasiv und ohne Strahlenbelastung.

Bei einem Magnetresonanz-Experiment mit Tumorzellen fand Dr. Franz Schilling, Physiker an der TUM, vor vier Jahren Signale eines Moleküls, das sehr empfindlich auf pH-Veränderungen reagiert. Dieser Stoff – Zymonsäure, wie sich in weiteren Untersuchungen herausstellte – könnte in Zukunft für die medizinische Bildgebung eine wichtige Rolle spielen. Als Biosensor für pH-Werte könnte das Molekül Einblicke in den Körper eröffnen, die so bislang nicht möglich waren.
«Mit einer geeigneten pH-Wert-Bildgebung könnte man krankhafte Veränderungen des Gewebes und insbesondere Stoffwechselprozesse von Tumoren sichtbar machen», erläutert Franz Schilling. Die Umgebung von Tumoren und Entzündungen ist meist etwas saurer als die von gesundem Gewebe und wird in Zusammenhang mit der Aggressivität von Tumoren gebracht. Auch für die Prognose von Behandlungen sieht Schilling Perspektiven: «pH-Werte sind auch interessant, wenn es darum geht, die Wirksamkeit von Tumorbehandlungen zu beurteilen. Noch bevor ein erfolgreich behandelter Tumor kleiner wird, könnte sich sein Stoffwechsel und damit der pH-Wert seiner Umgebung ändern. Durch eine geeignete pH-Bildgebungsmethode wüsste man viel früher, ob man den richtigen Ansatz gewählt hat.»

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