Forschung

Wozu die Drähte gut sind? "Sie bestehen aus einzelnen Atomen, und kleinere elektrische Leitungsbahnen kann man prinzipiell nicht bauen", sagt Jörg Schäfer. Darum lassen sich aus den Nanodrähten vielleicht Bauelemente realisieren, die die Miniaturisierung von Computern an die Grenze treiben. Mit ihrer Arbeit später einmal den kleinsten Quantencomputer der Welt zu demonstrieren - das ist eine Vision, die den Würzburger Physikern gefällt.
Derzeit aber benutzen sie die Nanodrähte vorrangig als atomare Spielwiese. "Wir können die Drähte an den Seiten um einzelne Goldatome erweitern. Oder gezielt Querbrücken zwischen ihnen schaffen. Und dann analysieren, wie sich dadurch die elektronischen Eigenschaften ändern", erläutert Professor Claessen.
Das nächste Ziel? Die Würzburger hoffen darauf, die elektrische Leitfähigkeit der Nanodrähte beeinflussen zu können. "Das ist mit zusätzlichen Atomen möglich. Über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops kann man aber auch elektrische Ladung in einen Draht hineintupfen. So könnte es gelingen, ihn kontrolliert auszuschalten. Entfernt man das zusätzliche Atom oder lässt die störende Ladung abfließen, wäre der Draht wieder angeschaltet", sagt Schäfer. Falls das funktioniert? Dann wäre schon einmal eine Grundvoraussetzung gegeben, um Nanodrähte als Bauteile für Quantencomputer verwenden zu können.

Die elektrische Schaltung der Nanodrähte kann aber auch zu neuen, eher grundlegenden Erkenntnissen führen. Denn je kleiner ein Festkörper gemacht wird, desto größer sind die Überraschungen, die er birgt. "In Nanostrukturen treten viele verblüffende Phänomene auf, die unserer Intuition als Physiker widersprechen", sagt Schäfer.
Woran das im Fall der Nanodrähte liegt? Die sind derart winzig, dass sich die Elektronen, die Träger der elektrischen Ladung, nur auf einem sehr eng begrenzten Pfad bewegen können - nämlich entlang der Drähte. In einem gewöhnlichen Stück Metall können die Elektronen viele verschiedene Richtungen einschlagen. Wenn aber die Elektronen auf engstem Raum eingesperrt werden, so dass sie einander nicht ausweichen können, treten ungewöhnliche Quanteneffekte auf. Davon kann vor allem die elektrische Leitfähigkeit betroffen sein.

Bioöl ist eine wässrige, saure, hoch oxidierte Mischung. Sein hoher Sauerstoffgehalt und seine Instabilität wirken sich jedoch nachteilig aus, als flüssiger Kraftstoff kann es bisher nicht direkt genutzt werden. Als Quelle für Basis-Rohstoffe wäre es sehr interessant, wenn es gelänge, daraus Alkane zu gewinnen. Alkane, auch als Paraffine bezeichnet, sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, die zu den wichtigsten Grundstoffen der chemischen Industrie zählen, etwa als Ausgangsprodukte zur Kunststoffherstellung. Außerdem zählen sie zu den wichtigsten Brennstoffen der Weltwirtschaft.
Bioöl enthält eine so genannte phenolische Fraktion. Dies sind Verbindungen, deren Grundgerüst aus einem aromatischen Kohlenstoff-Sechsring besteht, der Hydroxygruppen (OH-Gruppen) trägt. Die phenolischen Bestandteile des Bioöls lassen sich mit dem neuen Verfahren mit sehr hoher Selektivität zu Cycloalkanen (ringförmigen Alkanen) und Methanol umsetzen. Die Forscher konnten dies an verschiedenen Modellsubstanzen zeigen. Als Katalysator setzten sie in ihren Versuchen Palladium auf einem Kohlenstoffträger ein, Phosphorsäure dient bei der Reaktion als Protonenlieferant.

Die Reaktion ist eine so genannte Eintopfreaktion, das heißt, eine einstufige Reaktion, deren einzelne Teilreaktionen (Hydrierung, Hydrolyse und Dehydratisierung) ohne zwischengeschaltete Aufarbeitungsschritte einfach in dem selben Reaktor ablaufen. Erfolgsgeheimnis ist der Katalysator, der in der Lage ist, alle diese unterschiedlichen Teilreaktionen in Gang zu bringen. Am Ende entsteht eine Mischung verschiedener Alkane, die sich als zweite Phase absetzt und so leicht von der wässrigen Bioölphase getrennt werden kann. Das neue Verfahren ist ein praktikabler Ansatz für die direkte Nutzung von Bioöl zur Alkanherstellung. Originalveröffentlichung: Johannes A. Lercher et al.; "Highly

Die Farbkodierung der atomaren Bestandteile der Moleküle ist wie folgt: Wasserstoff (H): weiß, Kohlenstoff (C): schwarz, Sauerstoff (O): rot und Stickstoff (N): blau.

23.04.2009 -- Einem internationalen Team von Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn, der Cornell-Universität (Ithaka/USA) und der Universität Köln haben zum ersten Mal zwei neue Moleküle im interstellaren Raum nachgewiesen, Äthylformiat und n-Propylzyanid. Computermodelle zeigen, dass vermutlich noch komplexere organische Moleküle vorhanden sein müssen - darunter auch noch nicht identifizierte Aminosäuren, die Grundbausteine des Lebens.

Die Wissenschaftler nutzten das IRAM-30m-Teleskop in Spanien zum Nachweis der Radiostrahlung von Molekülen im Sternentstehungsgebiet Sagittarius B2 in der Nähe des Zentrums unserer Milchstraße. Die beiden neuen Moleküle wurden in einer heißen dichten Gaswolke aufgefunden, die unter dem Namen "Large Molecule Heimat" bekanntgeworden ist und einen sehr leuchtkräftigen gerade erst entstandenen Stern in ihrem Inneren enthält. In dieser Gaswolke konnte bereits eine ganze Reihe von unterschiedlichen großen organischen Molekülen nachgewiesen werden, darunter Alkohole, Aldehyde und Säuren. Die beiden neugefundenen Moleküle, Äthylformiat (C2H5OCHO) und n-Propylzyanid (C3H7CN), repräsentieren zwei unterschiedliche Klassen von Molekülen - Ester und Alkylzyanide - und stellen jeweils die komplexesten bisher im Weltraum entdeckten Vertreter ihrer Klasse dar.

Atome und Moleküle senden Strahlung bei ganz speziellen Frequenzen aus, die als charakteristische "Linien" im elektromagnetischen Spektrum einer astronomischen Quelle erscheinen. Die Entschlüsselung der Signatur eines bestimmten Moleküls im Spektrum ist dabei vergleichbar mit der Identifikation eines Menschen anhand seiner Fingerabdrücke. "Das Problem bei der Suche nach komplexen Molekülen liegt darin, dass die am besten geeigneten astronomischen Quellen so viele unterschiedliche Moleküle enthalten, dass ihre "Fingerabdrücke" überlappen und nur sehr schwer zu entwirren sind", sagt Arnaud Belloche, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Radioastronomie. "Die größeren und komplexeren Moleküle sind sogar noch schwieriger zu identifizieren, da ihre "Fingerabdrücke" kaum sichtbar werden: Ihre Strahlung wird über eine viel größere Anzahl von Linien verteilt, die alle viel schwächer herauskommen", ergänzt Holger Müller von der Universität Köln. Von den insgesamt 3700 Spektrallinien, die mit dem IRAM-Teleskop gefunden wurden, konnte das Forschungsteam 36 Linien mit den beiden neuen Molekülen identifizieren.

Die Forscher haben anschließend Computer-Modellrechnungen dafür eingesetzt, die chemischen Prozesse zu verstehen, die zur Bildung solcher Moleküle im Weltraum führen. Chemische Reaktionen erfolgen als Resultat von Kollisionen zwischen Gaspartikeln. Ebenso befinden sich Staubkörner als Bestandteile im interstellaren Gas, auf deren Oberfläche Reaktionen zwischen einzelnen Atomen stattfinden können, die Moleküle bilden. Als Ergebnis davon bauen sich um die Staubkörner dicke Eisschichten auf. Sie bestehen hauptsächlich aus Wasser, enthalten aber auch Einschlüsse einer Reihe von einfachen organischen Molekülen wie zum Beispiel Methanol, dem einfachsten Alkohol.

"Aber die wirklich großen Moleküle scheinen sich nicht auf diese Weise, nämlich Atom für Atom, aufzubauen", sagt Robin Garrod, ein Astrochemiker an der Cornell-Universität. Stattdessen lassen die Computermodelle vermuten, dass die komplexeren Moleküle abschnittsweise aufgebaut werden. Dabei kommen vorgefertigte Teilabschnitte zum Einsatz, die durch Moleküle bereitgestellt werden, die schon auf den Staubkörnern vorhanden sind. Die Computermodelle zeigen, dass diese Abschnitte oder "funktionalen Gruppen" sich sehr wirksam miteinander verbinden können, um so ganze "Molekülketten" in einer Serie von kurzen Schritten zusammenzubauen. Die beiden neu entdeckten Moleküle sind vermutlich auf diese Art entstanden.

"Es gibt anscheinend keine Begrenzung für die Größe der Moleküle, die durch diesen Prozess erzeugt werden können - wir erwarten sogar noch komplexere Moleküle, wenn wir sie überhaupt nur entdecken können." sagt Garrod. Karl Menten, Direktor am Max-Planck-Institut für Radioastronomie und ebenfalls Mitglied des Forschungsteams, erwartet solche Entdeckungen bereits in naher Zukunft. "Was wir im Moment machen, ist ein bisschen so wie die Suche nach der Stecknadel im Heuhaufen.

Zukünftige Forschungsinstrumente wie das Atacama Large Millimeter Array werden noch effizientere Beobachtungsprogramme möglich machen, mit denen weitere organische Moleküle im interstellaren Raum gefunden werden können." Vielleicht sogar die Entdeckung von Aminosäuren, die für die Erzeugung von Proteinen benötigt werden und damit unverzichtbar sind für die Entstehung des Lebens auf der Erde.

Nach der einfachsten Aminosäure, Glyzin (NH2CH2COOH), wurde bereits wiederholt im Weltraum gesucht; sie konnte allerdings bis jetzt noch nicht nachgewiesen werden. Allerdings sind beide hier beschriebenen neu entdeckten Moleküle von Größe und Komplexität her durchaus mit Glyzin vergleichbar.

7.04.2009 - Ein internationales Forscherteam hat einen Chip entwickelt, der viermal leistungsfähiger als der bisherige Rekordhalter ist. Er verspricht ein preiswerteres und schnelleres Internet und die Verarbeitung größerer Bilddatenmengen. Die Wissenschaftler, unter ihnen vier Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), setzten dabei auf die Kombination von Organischer Chemie und Silizium-Technologie.

Die Gruppe habe "das Beste aus zwei Welten zusammengebracht", sagt Professor Jürg Leuthold vom Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ). Die Wissenschaftler haben ein organisches Material entwickelt, das auf bislang unerreichte Weise hohe optische Qualität mit der Fähigkeit kombiniert, Lichtsignale zu übertragen. Das internationale Team unter der Leitung von Leuthold und dem Karlsruher Professor Wolfgang Freude fand eine technische Lösung dafür, dieses Material in die Silizium-Chip-Technologie zu integrieren, sodass es in Geräten der optischen Telekommunikation eingesetzt werden kann. Und diese enorm verbessern soll: "Der Chip kann die Daten von 2,6 Millionen Telefonanrufern verarbeiten", sagt Leuthold.

In einem Experiment haben die Forscher die Funktionalität der ultraschnellen Datenverarbeitung nachgewiesen. Der Chip ermöglichte es ihnen, ein optisches Datensignal, das bei 170,8 Gigabit pro Sekunde arbeitet, so umzuschreiben, dass daraus vier Datenströme mit 42,7 Gigabit pro Sekunde enstanden - die anschließend auf elektronischem Wege weiter verarbeitet werden können. Indem der Chip die Daten auf optischem Wege prozessiere, so erklärt Leuthold, "kann man die durch die Elektronik bedingten Geschwindigkeitslimits um einen Faktor vier - und noch mehr - überschreiten".

Es ist seit Jahren bekannt, dass Daten mit optischen Mitteln weit schneller verarbeitet werden können als auf elektronischem Wege. Aber noch niemandem war bislang der Nachweis gelungen, dass man mit billigem Silizium bei Bitraten weit über der Schallgrenze von 100 Gigabit pro Sekunde arbeiten kann. Dabei tüftelten Forscher auf der ganzen Welt seit Jahren eifrig an der Weiterentwicklung der Siliziumtechnologie. So meldete die Firma Intel erst kürzlich die erste optische Signalverarbeitung bei 40 Gigabit pro Sekunde.

Die Tatsache, dass die Forschergruppe um Leuthold und Freude diesen Rekord um den Faktor vier überboten hat, beruht darauf, dass die Forscher einen neuen Weg beschritten haben: Die Licht führenden Bahnen auf ihrem Silizium-Chip haben im Gegensatz zu den Licht führenden Wellenleitern der Konkurrenz einen feinen Spalt in der Mitte. Er ist gerade einmal 100 Nanometer breit. Den Spalt füllten sie mit einem neuartigen organischen Molekül auf - und dieses verhalf dem optischen Wellenleiter zu ultraschnellen Eigenschaften. Dabei erhitzen die Forscher das Material bis zur Dampfphase, in der sie es auf die Siliziumstruktur legen. Danach bildet es einen homogenen festen Zustand aus. So füllen die Moleküle den Spalt komplett und gleichmäßig - und verhindern Streuverluste: "Das war der Durchbruch", sagt Leuthold.

Für den Karlsruher Forscher ist die Wahrscheinlichkeit groß, "dass wir auch bei höchsten Bitraten weiterhin mit Silizium arbeiten können". Die Erfolgsgeschichte von Silizium, die vor 61 Jahren mit der Entwicklung des ersten Transistors begann, könne ihre Fortsetzung finden: "indem wir in den kommenden Jahren das Silizium so modifizieren, dass wir optische Signale bei Geschwindigkeiten jenseits des mit Elektronik Machbaren verarbeiten können".Originalveröffentlichung: Photonics Nature April 2009