TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (VI)

Um Licht mit bisher unerreichter Effizienz im elektrische Signale umzuwandeln, was für die elektronische Bildgebung, optische Kommunikationstechnologien und biomedizinische Sensorik von zentraler Bedeutung ist, haben Forscher um Prof. Harald Fuchs von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) in Kooperation mit Partnern der Shanghai Jiao Tong University und der Chinese Academy of Sciences ein neuartiges Konzept für molekulare organische Fototransistoren (OFT / organic phototransistors, OPTs) entwickelt, das auf der Nutzung von kleinen Molekülen – 2, 6-Diphenylanthrazen (DPA) – anstelle von langen Polymerketten basiert.

Diese Moleküle besitzen eine stark fluoreszierende Anthrazen-Einheit als halbleitenden Kern und Phenylgruppen (in 2, 6-Position zur Anthrazen-Einheit), welche die Ladungsträgermobilität und die opto-elektronischen Eigenschaften optimieren. Die damit hergestellten Fototransistoren weisen eine hohe Fotoempfindlichkeit, Fotoresponsivität und Detektivität auf. Der Artikel mit dem Titel ,Band-like transport in small-molecule thin films toward high mobility and ultrahigh detectivity phototransistor arrays’, der im Januar 2019 erscheint, ist im Netz einsehbar.

Ebenfalls Januar 2019 präsentieren Forscher der ETH Zürich um Christopher Walker eine neue Anti-Beschlag-Beschichtung für Brillen, Visiere oder Windschutzscheiben, die wie ein Heizelement funktioniert, das nicht eingesteckt werden muß, da es die Oberfläche mit Licht erwärmt (,Transparent Metasurfaces Counteracting Fogging by Harnessing Sunlight’).

Die neue Beschichtung enthält Gold-Nanopartikel, die in Titanoxid eingebettet sind. Diese fangen den infraroten Teil des Sonnenlichts und einen Teil des sichtbaren Lichts ein und erwärmen die Oberfläche um 3°C - 4°C, was die Kondensation verhindert. Bei Tests löst die transparente Beschichtung Nebel viermal schneller auf als herkömmliche Anti-Beschlag-Sprays. Zudem hält sie viel länger als eine Sprühbehandlung, die praktisch täglich erneuert werden muß.

Das ETH-Team versucht nun, die Rezeptur so zu optimieren, daß sie jahrelang hält, und die Technologie, die auch auf dauerhafteren Oberflächen wie Fenstern oder Windschutzscheiben zum Einsatz kommen könnten, anschließend zu vermarkten.

Im März berichten die Blogs über Wissenschaftler der Cornell University und der University of Pennsylvania um Prof. Marc Z. Miskin, die mikroskopisch kleine, durch Laserlichtpulse angetriebene Roboter entwickelt haben. Der Körper jedes vierbeinigen Roboters besteht aus einem ultradünnen Glasrechteck, das mit einer Siliziumschicht überzogen ist, auf die die elektronischen Steuerungskomponenten und entweder zwei oder vier Solarzellen geätzt sind.

Die Mikroroboter sind etwa 5 µm dick, 40 µm breit und 40 - 70 µm lang, also etwa so groß wie ein Pantoffeltierchen (Paramecium). Die Beinchen sind nur einige Dutzend Atome dick und bestehen aus Platinstreifen mit einer Schicht aus inertem Titan auf einer Seite und Polymerplatten auf der Oberseite, wobei anstelle von Titan auch Graphen verwendet werden kann. Dem Team zufolge sind die Mikroroboter stark und robust und arbeiten mit einer Spannung von nur 200 mV und einer Leistung von 10 nW.

Um die Roboter zum Laufen zu bringen, werden Laser auf die Photovoltaikzellen des Körpers gerichtet, die eine positive elektrische Ladung in das Platin schicken. Dies bewirkt, daß negative Ionen aus der umgebenden Lösung an dem freiliegenden Platin zwischen den Polymerplatten haften bleiben und es wie ein Knie beugen. Indem die Laser abwechselnd auf die Vorder- und Hinterbeine gerichtet werden, können die Roboter krabbeln.

Mit Hilfe einer patentrechtlich geschützten mehrstufigen Nanofabrikationstechnik, die auf Lithografie und Atomlagenabscheidung basiert, können innerhalb weniger Wochen Chargen von bis zu einer Million Exemplare der 70 µm langen Roboter hergestellt werden, und zwar alle aus einem einzigen 102-mm-Siliziumwafer.

Die Roboter sind so klein, daß sie mit einer Injektionsnadel in den Körper injiziert werden können. Allerdings können sie sich derzeit nur unter einer fingernagelbreiten Gewebeschicht fortbewegen, da das externe Laserlicht nur diese Schicht ausreichend durchdringen kann. Das Team untersucht daher auch andere Energiequellen wie Ultraschall und Magnetfelder.

Außerdem wird an ,intelligenten’ Versionen der Roboter gearbeitet, die mit Sensoren, Uhren und Selbststeuerungen ausgestattet sind. Ein Artikel darüber erscheint im August 2020 unter dem Titel ,Electronically integrated, mass-manufactured, microscopic robots’.

Ebenfalls im März 2019 berichten die Physiker Harry Albert Atwater und Ognjen Ilic vom California Institute of Technology (Caltech), daß sie eine Möglichkeit konzipiert haben, Objekte nur mit Hilfe von Licht zum Schweben zu bringen und anzutreiben. Die Arbeit ist zwar noch theoretisch, aber sie könnte einen Schritt in Richtung der Entwicklung eines Raumschiffs bedeuten, das in 20 Jahren den nächsten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erreichen könnte, angetrieben und beschleunigt nur durch Licht.

Die Grundlage für ihre Überlegungen bildet das Prinzip der optischen Pinzette, eine Erfindung, die es Wissenschaftlern seit Jahrzehnten ermöglicht, mit Hilfe des Strahlungsdrucks eines scharf gebündelten Laserstrahls winzige Objekte wie Nanopartikel zu bewegen und zu manipulieren. Auch lebende Zellen lassen sich damit fixieren und genauer untersuchen. Der US-amerikanische Wissenschaftler Arthur Ashkin erhält für diese Entwicklung die eine Hälfte des Nobelpreises für Physik 2018. Optische Pinzetten sind jedoch nur in der Lage, sehr kleine Objekte und nur über sehr kurze Entfernungen zu manipulieren.

Mit der neuen Forschung, die in dem Artikel ,Self-stabilizing photonic levitation and propulsion of nanostructured macroscopic objects’ beschrieben wird, könnten hingegen Objekte in vielen verschiedenen Formen und Größen im Millimeter-, Zentimeter- und sogar Metermaßstab mit einem Lichtstrahl manipuliert werden. Der Schlüssel dazu ist die Erzeugung spezielle Nanomuster auf der Oberfläche eines Objekts. Die konzeptuelle Illustration zeigt ein mit derartigen Nanomustern versehenes Objekt, das sich neu ausrichtet, um in einem Lichtstrahl zu bleiben.

Konkret berechnen die Physiker die wirkenden Kräfte an einer 500 nm dünnen und Dutzende Mikrometer großen Fläche aus Siliziumdioxid. Auf dieser Fläche ordnen sie in ihrem Modell zahlreiche knapp 2 µm kleine Module mit je zwei optischen Resonatoren aus Silizium an. Die beiden Resonatoren unterscheiden sich dabei deutlich in ihrer Größe, so daß sie unterschiedlich mit dem einfallenden Licht wechselwirken. Die Berechnungen zeigen, daß sich die Scheibe in einem Lichtstrahl mit 1.500 nm Wellenlänge tatsächlich selbst stabilisieren könnte.

Auf dieser theoretischen Grundlage wäre es vorstellbar, makroskopische Objekte mit einer Metaoberfläche auszustatten, um die berechneten photonischen Rückstellkräfte im Experiment zu überprüfen. Erste Anwendungen wären in Lichtstrahlen schwebende mechanische Oszillatoren, um optomechanische Effekte genauer zu untersuchen. Später sind vielleicht Fertigungstechniken möglich, bei denen Bauteile mit optischer Levitation gegriffen und plaziert werden.

Darüber hinaus sind sich selbst stabilisierende, extrem leichte Lichtsegel für interstellare Reisen vorstellbar, die durch einen Laserstrahl von der Erde aus beschleunigt werden. Ohne Treibstoff mitführen zu müssen, könnte ein derartiges Raumschiff sehr hohe, sogar relativistische Geschwindigkeiten erreichen, um zu anderen Sternen zu reisen. Dies erklärt wohl auch, warum die Finanzierung der Forschungen durch das Air Force Office of Scientific Research erfolgt.

Im Juni 2019 folgt der Bericht eines internationalen Teams von Physikern um Prof. Yoshihiro Iwasa von der Universität Tokio, das eine neue Art von Nanoröhrchen entdeckt hat, die in Gegenwart von Licht Strom erzeugen (,Enhanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes’). Weitere beteiligte Kollegen kommen von der Universität Osaka, dem Weizmann Institute of Science und dem Holon Institute of Technology in Israel sowie dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) in Stuttgart.

Die strominduzierenden Nanoröhren werden aus Platten eines speziellen Halbleitermaterials auf der Basis von Wolframdisulfid (WS₂) hergestellt, die in Gegenwart von Licht keinen Strom induzieren, es sei denn, sie werden zu Röhren aufgerollt. Im Gegensatz zu photovoltaischen Solarzellen, bei denen zwei unterschiedliche Materialien (p-Typ und n-Typ) miteinander verbunden sind, die jeweils alleine keinen Strom in Gegenwart von Licht erzeugen, zusammen jedoch schon, sind die WS₂-Nanoröhren auf keine derartige Verbindung angewiesen.

Wenn diese Licht ausgesetzt werden, erzeugen sie in ihrer gesamten Struktur oder ihrem Volumen einen Strom, was als Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPVE) bezeichnet wird. Dieser tritt auf, da das WS₂-Nanoröhrchen nicht symmetrisch ist, wenn man es umkehrt. Wäre es symmetrisch, hätte der induzierte Strom keine Vorzugsrichtung und würde daher nicht fließen. Die damit erzeugte Photostromdichte ist dem Team zufolge „um Größenordnungen größer als bei anderen BPVE-Materialien.“

Wenn es gelingt, den Effekt zu verstärken und die nanoskopische Technologie in größerem Maßstab einzusetzen, könnte sie in Zukunft zu hocheffizienten Solarzellen führen. Bis dahin gehören optische Sensoren und Chips für die Infrarotbildgebung zu den wahrscheinlichen Anwendungen, die in Bereichen wie dem automatisierten Verkehr und der Astronomie von Nutzen sein könnten.

Wissenschaftlern der australischen Queensland University of Technology (QUT), der belgischen Universität Gent und des deutschen Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) um Prof. Christopher Barner-Kowollik stellen im Juli 2019 ein dynamisches, umprogrammierbares Material vor, das im Licht hart und im Dunkeln weich wird.

Das neue Material besteht aus einer Polymerstruktur, die sich unter einer bestimmten Art von Licht versteift und in der Dunkelheit wieder zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehrt. Der Schlüssel zu den veränderlichen Eigenschaften sind kostengünstige chemische Verbindungen wie Triazolindione genannte Kopplungsmoleküle und das in Mottenschutzmitteln häufig vorkommende Napthalin.

Zusammen sorgen sie dafür, daß das Material fest und stabil bleibt, solange es mit grünem LED-Licht bestrahlt wird. Wird das Licht aber ausgeschaltet und das Material eine Weile im Dunkeln liegengelassen, beginnen sich diese chemischen Bindungen aufzulösen, so daß es zu einer weichen, flüssigen Masse wird. Indem das Licht gedämpft wird, anstatt es abzuschalten, lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Materials sogar auf einen Zwischenwert einstellen. Schaltet man das Licht wieder ein, härtet die Polymerstruktur wieder aus.

Das Team nennt seine neue Struktur ,lichtstabilisiertes dynamisches Material’ und hat bereits Anwendungen für den 3D-Druck im Auge, wo es in Form einer dynamischen Tinte als vorübergehende Stütze für komplexe Strukturen wie Brücken oder Treppen mit überhängenden Elementen verwendet werden könnte, die nach getaner Arbeit von alleine wegschmilzt.

Ebenfalls im Juli 2019 veröffentlicht ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität (CAU) in Kiel eine im Netz einsehbare Studie unter dem Titel ,Towards a light driven molecular assembler’, in welcher es über die Herstellung eines Moleküls berichtet, das selbst Moleküle produzieren kann und dabei durch UV-Licht angetrieben wird.

Die Idee der molekularen Assembler geht auf den Ingenieur Kim Eric Drexler in den 1980er Jahren zurück, der sich auch mit Solarsegeln und Asteroiden-Bergbau befaßt hat. Drexler führte damals das Konzept der skalierbaren atomar präzisen Fertigung (APM) ein, bei der Anordnungen von Geräten im Nanomaßstab verwendet werden, um chemisch reaktive Molekülkontakte zu steuern und so Materie von Grund auf zu strukturieren. Die Assembler sollten in der Lage sein, einzelne Atome zu greifen und präzise zu plazieren, um so komplexe Molekül-Strukturen zu bauen - und sich letztendlich selbst zu reproduzieren.

Skeptiker hielten den Bau solcher Nanoroboter aus Molekülen prinzipiell nicht für möglich und führten dafür im Wesentlichen die Probleme der ,dicken Finger’ und der ,klebrigen Finger’ an. Demnach müßte ein Assembler unzählige Finger im Nanomaßstab haben, um die verschiedenen Atome jeweils greifen und plazieren zu können – dafür fehle jedoch schlichtweg der Platz. Und das Problem der ,sticky fingers’ betrifft die Schwierigkeit, einmal gegriffene Atome wieder loslassen und absetzen zu können.

Das Forschungsteam um Prof. Rainer Herges orientiert sich bei seiner ,Mechanosynthese’ daher an der biochemischen Verfahren der Natur - denn dort existieren solche molekularen Assembler bereits, zum Beispiel in Form von Ribosomen, die in Zellen Proteine herstellen oder zur Synthese von Adenosintriphosphat (ATP), dem Energieträger von Zellen.

Um den ersten künstlichen Assembler herzustellen, der mit UV-Licht betrieben wird, wird die Komplexität der biologischen Prozesse systematisch soweit reduziert, daß sie sich mit Methoden der synthetischen Chemie umsetzen läßt. Dabei werden die Reaktionspartner, vier Vanadat-Ionen, in unmittelbare Nähe zueinander gebracht und zu einem Ring verknüpft. Über ein per UV-Licht steuerbares Assembler-Molekül wird daraufhin ein Reaktionsprozeß ausgelöst, bei dem sich ein neues Molekül formt.

Auch das ,klebrige-Finger-Problem’ läßt sich mit UV-Licht lösen, denn bestrahlt mit Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm ändert sich die äußere Form des Assembler-Moleküls, seine Enden drücken sich wie eine Zange zusammen, der Raum im Inneren wird zu klein und das neue Molekül wird freigegeben. Die Energie des entstandenen Moleküls ist zudem höher als die der Ausgangsstoffe, wodurch molekulare Assemblers langfristig eine neue Möglichkeit sein könnten, um Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln.

Im August 2019 folgt ein Bericht des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), der Universität Würzburg, der Universität Oldenburg und des Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), wo ein Team um Katja Höflich erstmals mathematisch exakt formulieren konnte, wie korkenzieherförmige Nano-Antennen mit Licht wechselwirken. Mit dem neuen mathematischen Werkzeug läßt sich die jeweils geeignete Geometrie berechnen, die eine Nano-Antenne für konkrete Anwendungen in der Sensorik oder in der Informationstechnologie besitzen muß.

Die Nanostrukturen des HZB-Teams sind wie Korkenzieher geformt, bestehen aus Silber und sind etwa 100 nm dick. Mathematisch läßt sich jede Nano-Antenne als nahezu eindimensionale Linie betrachten, die zu einer Helix verdreht ist und sich durch Parameter wie Durchmesser, Länge, Windungszahl und Drehsinn kennzeichnen läßt. Dabei reagieren die Nano-Korkenzieher hochempfindlich auf Licht: Je nach Frequenz und Polarisationsrichtung können sie es extrem verstärken. Und da sie eine Händigkeit (Chiralität o. Spin) aufweisen, können sie Lichtquanten entsprechend dieser Händigkeit auswählen.

Dadurch ergeben sich neuartige Anwendungen in der Informationstechnologie, die auf der Spinquantenzahl von Licht basieren. Eine weitere Anwendung kann in der Sensorik liegen: Helix-förmige Nano-Antennen könnten hochempfindlich auf bestimmte chirale Verbindungen reagieren, bis hin zum Nachweis einzelner Moleküle.

Das Team hat nun eine mathematisch exakte Formel, die besagt, wie eine Nano-Antenne mit bestimmten Parametern auf Licht reagiert und die sich als Design-Werkzeug nutzen läßt, denn sie besagt auch, wie eine Nano-Helix beschaffen sein muß, um elektromagnetische Felder bestimmter Frequenzen oder Polarisationsrichtungen zu verstärken.

Die realen Nano-Antennen werden dann in einem Elektronenmikroskop mit dem Verfahren des direkten Elektronenstrahlschreibens erzeugt. Dabei schreibt der Elektronenstrahl Punkt für Punkt zunächst eine Kohlenstoffstruktur, die die Form einer Helix besitzt und im Anschluß mit Silber beschichtet wird. Wie sich erweist, stimmen die gemessenen optischen Eigenschaften dieser Silber-Nano-Antennen mit den Berechnungen gut überein. Der Artikel mit dem Titel ,Resonant behavior of a single plasmonic helix’ ist im Netz einsehbar.

Wissenschaftler der niederländischen Technischen Universität Eindhoven und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) in Potsdam veröffentlichen im August den ebenfalls im Netz einsehbaren Artikel ,Energy-Efficient Solar Photochemistry with Luminescent Solar Concentrator Based Photomicroreactors’, der sich mit der von Sonnenlicht angetriebenen Synthese von Chemikalien befaßt.

Lichtenergie kann chemische Reaktionen fördern, indem sie z.B. einen Katalysator in einen angeregten Zustand versetzt und eine Reaktion auf diese Weise beschleunigt oder erst ermöglicht. Nachteile der Sonne als Lichtquelle sind jedoch, daß der Großteil der spektralen Berstrahlungsstärke nur in den relativ schmalen Bereich des sichtbaren Lichts fällt und zudem Schwankungen in der Bestrahlungsstärke auftreten können, z.B. durch vorbeiziehende Wolken.

Das Team um Prof. Timothy Noël, der in Anerkennung seiner Arbeiten zur kontinuierlichen photochemischen Umwandlung in mikrofluidischen Systemen den DECHEMA-Preis 2017 erhalten hatte, zeigt jetzt erstmals, daß verschiedenste Reaktionstypen effektiv durch Bestrahlung mit Sonnenlicht angetrieben werden können. Erreicht wird dies mittels eines speziell entwickelten kostengünstigen Photomikroreaktors auf der Basis lumineszierender Solarkonzentratoren (Luminescent Solar Concentrators, LSCs).

LSCs sind lichtleitende Platten aus Polymethylmethacrylat (PMMA), denen spezielle Leuchtstoffe beigegeben werden, die Photonen aus dem Sonnenlichtspektrum einfangen und anschließend als Fluoreszenz wieder abstrahlen – bei einer für den Leuchtstoff charakteristischen, etwas längeren Wellenlänge. Auf diese Weise wird das Sonnenlicht in einen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert. Das Freiburger Institut für Festkörpermechanik der Fraunhofer Gesellschaft hatte übrigens bereits 1976 begonnen, an Fluoreszenzlicht-Solarzellen zu arbeiten (s.d.).

Bei der aktuellen Entwicklung sind in die LSCs feine Kanäle aus einem lösungsmittelbeständigen Kunststoff eingebettet, durch die die Reaktionsmischung fließt. Ein Lichtsensor mißt die Lichtintensität und ein integrierter Schaltkreis paßt die Fließgeschwindigkeit an: Je geringer die Lichtintensität, desto langsamer soll die Mischung den Kanal passieren, damit sie die notwendige Strahlungsdosis für einen ausreichenden Umsatz abbekommt. So lassen sich Fluktuationen des Sonnenlichts ausgleichen und das Produkt bleibt einheitlich.

Die Wahl der in die LSCs eingebetteten Leuchtstoffe richtet sich nach der benötigten Wellenlänge der jeweiligen für die gewünschte Reaktion benötigten Katalysatoren. Indem die Forscher rote, grüne und blaue LSC-Reaktoren für Reaktionen mit den Photokatalysatoren Methylenblau (roter Reaktor), Eosin Y und Bengalrosa (grüner Reaktor) sowie Ruthenium (blauer Reaktor) herstellen, gelingt ihnen u.a. die Synthese des Wurmmittels Ascaridol und eines Vorläufers des Malariamittels Artemisinin.

Eine weitere Studie im August 2019 stammt von einer internationalen Forschergruppe unter der Leitung von Prof. Ferdinand Schmidt-Kaler und Ulrich Poschinger von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, die gemeinsam mit Physikern der QuSys-Gruppe am Trinity College Dublin um Prof. John Goold aus einem einzelnen Kalzium-Ion den „kleinsten Motor der Welt“ gebaut hat.

Der winzige Motor selbst ist elektrisch geladen und läßt sich daher leicht mit elektrischen Feldern einfangen. Er funktioniert aufgrund des intrinsischen Spins (Drehimpuls o. Eigendrall) des Ions, der genutzt wird, um die von Laserstrahlen absorbierte Wärme in Schwingungen oder Vibrationen des gefangenen Ions umwandelt. Diese Schwingungen wirken wie ein ,Schwungrad’, das die vom Motor erzeugte Nutzenergie auffängt. Diese Energie wird in diskreten Einheiten, den Quanten, gespeichert, wie es die Quantenmechanik vorhersagt. Mit dem Schwungrad lassen sich ersten Mal die Leistung eines Motors auf atomarer Ebene messen und einzelne Energiequanten auflösen.

Indem das Schwungrad aus dem Ruhezustand - genauer gesagt aus dem ,Grundzustand’, der niedrigsten Energie in der Quantenphysik - gestartet wird, läßt sich beobachteten, wie der kleine Motor das Schwungrad zu immer schnellerem Lauf zwingt. Entscheidend ist, daß der Zustand des Ions im Experiment zugänglich ist, so daß die Physiker den Energiedepositionsprozeß genau bewerten können.

Im Oktober 2019 folgt der Bericht eines Teams um Tobias Brixner von der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), an dem auch Maxim S. Pshenichnikov von der Universität Groningen in den Niederlanden sowie weitere Kollegen der Universität Heidelberg beteiligt sind, über ein neues Verfahren, mit dem sich der Weg von Energie im Nanometer-Bereich genau verfolgen läßt, denn für die Photovoltaik, die Opto-Elektronik und andere technische Anwendungen ist entscheidend, wie zielgerichtet und effizient sich Energie auf kleinstem Raum ausbreitet.

Das Team stellt zwei neue spektroskopische Methoden vor, mit denen sich der Energietransport in biomimetischen doppelwandigen Nanoröhrchen aus Tausenden von Farbstoffmolekülen auf der Nanoskala beobachten läßt. Diese Röhrchen dienen als Modell für die Lichtsammelantennen von photosynthetisch aktiven Pflanzen und Bakterien.

Bei niedrigen Lichtintensitäten werden die energetischen Anregungen von der äußeren zur inneren Wand der Röhrchen transportiert, während sich die Anregungen bei hohen Intensitäten nur auf der äußeren Wand bewegen – und treffen dort zwei Anregungen aufeinander, verschwindet eine von ihnen. Die Energie des Sonnenlichts mit Sammelantennen einzufangen und gezielt in ein Reaktionszentrum zu überführen, könnte die Photovoltaik deutlich verbessern. Die Studie ,Interplay between structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light harvesting’ ist im Netz einsehbar.

Von der Universität Groningen in folgt im April 2022 die ebenfalls einsehbare Studie ,Cryogenic TEM imaging of artificial light harvesting complexes outside equilibrium’. Hier geht es darum, daß der Energietransport in natürlichen Lichtsammelkomplexen unter Laborbedingungen über selbstorganisierte supramolekulare Strukturen erforscht werden kann. Eine solche Struktur ergibt sich aus den amphiphilen Farbstoffmolekülen C8S3, die sich in einem wäßrigen Medium selbst zu einem doppelwandigen zylindrischen Nanoröhrchen anordnen, das an natürliche Lichtsammelkomplexe in grünen Schwefelbakterien erinnert.

Im November 2019 melden Chemiker der Universität Bonn um Prof. Peter Vöhringer, daß sie ein langjähriges Rätsel gelüftet haben. Die Photochemie nutzt Licht als Aktivierungsenergie, um großindustriell etwa Schmierstoffe, Lösungsmittel, umweltverträgliche Kunststoffe oder besonders widerstandsfähige Lacke herzustellen - oder im Kleinen in der Dentalmedizin, wenn Komposit-Füllungen mit Licht direkt am behandelten Zahn ausgehärtet werden.

Die meisten chemischen Reaktionen benötigen eine gewisse Energie, damit sie überhaupt ablaufen. Diese Aktivierungsenergie wird meist durch Heizen der Reaktionsmischung erbracht, was oftmals sehr ineffizient und teuer ist und die Umwelt belastet, wenn dabei fossile Energieträger verbrannt werden. Eine vorteilhafte Alternative ist daher die Aktivierung durch Licht, besonders wenn dafür Sonnenlicht verwendet werden kann.

Als Voraussetzung muß zuvor die Quantenausbeute experimentell bestimmt werden. Hierfür wird seit 1956 das Ferrioxalat-Aktinometer (o. Hatchard-Parker-Aktinometer) als wissenschaftlicher Standard verwendet, doch wie dessen molekularer Mechanismus tatsächlich funktioniert, blieb bisher im Dunkeln. Sogar Untersuchungen mit Hilfe von freien Elektronenlasern an Großforschungseinrichtungen konnten keine befriedigenden Resultate liefern.

Das Ferrioxalat-Aktinometer basiert auf der wäßrigen Lösung eines Moleküls, in dessen Zentrum sich ein dreifach positiv geladenes Eisen-Ion (Fe₃+) befindet, das seinerseits negativ-geladene Molekülgruppen anlagert – die Oxalat-Liganden. Durch Bestrahlung mit Licht wandeln die Fe₃+-Ionen sich in Fe₂+-Ionen um, die dann nur noch zweifach positiv geladen sind. Zudem wird schon seit Längerem vermutet, daß sich dabei auch Oxalat-Liganden abspalten und zusätzlich noch Kohlendioxid-Moleküle freigesetzt werden. Bislang war allerdings völlig unklar, in welcher Reihenfolge diese drei Schritte erfolgen und wie schnell sie in der wäßrigen Lösung ablaufen.

Im Zuge seiner Bachelor-Arbeit hat Frank Hendrik Pilz nun kurze Lichtblitze eines Lasers verwendet, um die Ferrioxalat-Moleküle zu bestrahlen. Mit dem Licht eines an den Laser gekoppelten Infrarot-Spektrometers kann er die Abspaltung der Oxalat-Liganden aus den Ferrioxalat-Molekülen nachweisen und zeigen, daß es tatsächlich sogar zwei Ferrioxalat-Moleküle benötigt, um einen Oxalat-Liganden abzuspalten und daß diese Reaktion innerhalb einer tausendstel Sekunde abläuft. Damit hat Pilz den vollständigen Mechanismus eines photochemischen Systems enthüllt und die Schlüsselreaktion des Ferrioxalat-Aktinometers auf molekularer Ebene gemessen, die bislang gänzlich verborgen war.

Der Physiker Prof. Stefan Rotter und sein Team an der Technischen Universität Wien publizieren im November 2019 eine Studie unter dem Titel ,Optimal wave fields for micromanipulation in complex scattering environments’, in der sie eine spezielle Rechenmethode vorstellen, um die optimale Lichtwellenform zu ermitteln, mit der sich Viren, Zellen oder Moleküle in Anwesenheit einer störenden Umgebung festhalten, drehen oder gezielt bewegen lassen – auch wenn man sie nicht direkt berühren kann.

Damit lösen die Wissenschaftler das Problem, daß Lichtpinzetten nur funktionieren, wenn sich das festgehaltene Objekt im leeren Raum befindet, da jede störende Umgebung die Lichtwellen ablenkt und den Effekt kaputtmacht. Dies ist aber gerade bei biologischen Proben der Fall, die meistens in eine räumlich sehr komplexe Umgebung eingebettet sind. Die neue Rechenmethode die auf zwei kurz hintereinander durchgeführten Messungen basiert, kompensiert jedoch den unerwünschten Streu-Effekt.

Dies gelingt, indem die vielen kleinen Störungen, die normalerweise das Experiment unmöglich machen, dazu genutzt werden, um genau die gewünschte Wellenform zu erzeugen, die dann an einem bestimmten Partikel ihre Wirkung entfaltet. Im Speziellen wird berechnet, wie die Welle anfangs geformt sein muß, damit sie von den Unregelmäßigkeiten einer ungeordneten Umgebung genau in die Form gebracht wird, um die Partikelbewegung zu verstärken oder abzuschwächen.

In der Abbildung ist die Intensitätsverteilung eines elektrischen Wellenfeldes zu sehen, das ein definiertes Drehmoment auf das quadratische Ziel ausübt. Im Experiment funktioniert die Methode bereits mit Mikrowellen, aber das eigentliche Ziel ist, sie mit sichtbarem Licht einzusetzen.

Ebenfalls im November 2019 erhält Prof. Menglin Chen von der Universität Aarhus einen Zuschuß der Carlsberg-Stiftung in Höhe von 600.000 € für die Entwicklung einer völlig neuen Methode zur Regeneration von Gehirn- und Herzzellen, bei der Nanofasern auf Wasserbasis eingesetzt werden, die mit organischen photovoltaischen Nanomaterialien beschichtet sind, um mit Licht gesteuerte neurale Stimulationsgerüste im Körper zu schaffen.

Das nun mit amerikanischen Partnern gestartete OptoMed-Projekt von Chen ist eine unkonventionelle Form der Zelltherapie mit Hilfe einer externen Lichtquelle. Im Gegensatz zur Optogenetik, die Licht zur selektiven Steuerung von Neuronen durch deren genetische Veränderung einsetzt, werden hier die Nanofasern in das geschädigte Gewebe injiziert. Wenn der Körper dem Sonnenlicht oder infrarotnahen Kunstlicht ausgesetzt wird, dringt ein Teil des Lichts in das Gewebe ein und fällt auf die photovoltaische Beschichtung der Nanofasern, die das Licht in Elektrizität umwandelt.

Auf diese Weise ist es möglich, elektrisch erregbare Zellen, wie z.B. Neuronen im Gehirn oder Herzzellen, lokal zu stimulieren und über bioelektrische Signaltransduktion spezifische Zellreaktionen zu erreichen, in diesem Fall eine regenerative Reaktion.

Im Januar 2020 stellt ein Team der Changzhou University und der Jiangsu University in China einen flexiblen Bio-Schmetterlingsflügel (flexible bio-butterfly-wing, FBBW) vor, der in Zukunft als alternativer Antrieb für Kleinstflugzeuge dienen soll. Der ausschließlich von Licht angetriebene Schlagflügel besteht aus einer dünnen Polymerfolie aus FEP (fluoriertes Ethylen-Propylen), die mit einem nanokristallinen Metallfilm beschichtet ist. Der Artikel des Teams um Jianning Ding trägt den Titel ,Sunlight-Driven Continuous Flapping-Wing Motion’.

Der gezeigte Prototyp ist horizontal angeordnet, wobei das eine Ende der Folie an einer Halterung befestigt und das andere frei beweglich ist. Wird der FBBW mit simuliertem Sonnenlicht bestrahlt, erhöht sich die Temperatur der beiden Materialien, wodurch sie sich ausdehnen. Da sich das unten liegende FEP-Polymer stärker ausdehnt als die darüber liegende Metallschicht, wölbt sich der Flügel nach innen und oben.

Sobald er sich ganz nach oben gewölbt hat, schattet der gekrümmte obere Teil den Rest des FBBW ab, so daß er abkühlen und sich wieder abflachen kann. Auf diese Weise wölbt sich das Gerät schnell und wiederholt auf und ab und erzeugt eine Schlagbewegung, die schneller ist als die eines echten Schmetterlingsflügels. Als höchste Schlagfrequenz werden 4,49 Hz angegeben, während die Insekten bei 2 - 4 Hz liegen.

Zur Demonstration des Systems bauen die Forscher zudem einen mit Licht betriebenen Kreisel, einen winzigen Gleiter, der sich durch das Schlagen des Segels über ein Metallineal bewegt, und ein Gerät, das durch das Schlagen des Flügels Strom erzeugt. In einem Video sind die Konstruktionen in Aktion zu sehen. Als nächstes soll ein fliegender Mini-Roboter mit FBBW-Ausrüstung gebaut werden.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Tübingen und der Universität Tampere in Finnland präsentieren im Februar 2020 in ihrer im Netz einsehbaren Studie ,Bioinspired underwater locomotion of light-driven liquid crystal gels’ einen gelartigen Roboter aus Flüssigkristallen, der Seegurken (Enypniastes eximia) nachempfunden ist und durch Licht gesteuert wird.

Als Baumaterial für ihren Snail-o-Bot wählt das Team um Prof. Hamed Shahsavan lichtempfindliche Flüssigkristallgele (LCGs), da sie mit mehreren Vorteilen verbunden sind. Erstens reagieren sie auf Licht, wodurch die kabellosen Roboter ohne starre und sperrige Antriebs- und Sensorkomponenten auskommen. Der zweite Vorteil besteht darin, daß durch die gezielten Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle in einem bestimmten Muster die nur wenige Millimeter große Konstruktion ihre Form verändern kann, wenn Licht bestimmte Teile des Roboters beleuchtet.

Sobald das lichtempfindliche, schlaffe und gummibandähnliche Material Licht ausgesetzt wird, kann es schnelle und reversible Formveränderungen durchführen und im Wasser kriechen, laufen, springen und schwimmen. Das liegt daran, daß LCGs ihre Dichte bei Lichteinwirkung um 7 - 8 % reduzieren, leichter werden und nach oben schwimmen. Durch den Auftrieb der beleuchteten Teile und durch das Ein- und Ausschalten des Lichts in bestimmten Zeitabständen wird der Roboter photothermisch betätigt. Die Konstruktion ist sehr schnell und hat einen geringen Energiebedarf.

In Zukunft will man versuchen, das Material mit anderen Energiequellen als Licht zu betätigen, da dieses nicht weit in den menschlichen Körper eindringen kann. Das Team hofft, eines Tages in der Lage zu sein, weiche Konstruktion so klein zu machen, daß sie mit Nahinfrarot-Licht, Schall, elektrischen oder magnetischen Feldern durch den Körper bewegt und gesteuert werden können.

Im März 2020 berichten Wissenschaftler des University College London über eine neue lichtaktivierte keimtötende Beschichtung, die im Gegensatz zu den bekannten Varianten, die in der Regel entweder ultraviolettes oder hochintensives Licht benötigen, mit normalem Licht niedriger Intensität funktioniert. Der Einsatz ist zur Lösung des großen Problems der Krankenhausinfektionen gedacht. Der einsehbare Artikel trägt den Titel ,Photobactericidal activity activated by thiolated gold nanoclusters at low flux levels of white light’.

Die antibakterielle Beschichtung basiert auf früheren Arbeiten von Prof. Ivan Parkin, der 2014 gemeinsam mit Elaine Allan und Sacha Noimark verschiedene Kombinationen der Farbstoffe Kristallviolett (der bereits zur Behandlung von Staphylokokkeninfektionen eingesetzt wird) und Methylenblau mit Gold-Nanopartikeln entwickelt hat, um Oberflächen zu schaffen, die für schädliche Bakterien von Natur aus tödlich sind.

Die Farbstoffe töten Bakterien ab, indem das Licht die Farbstoffmoleküle in einen angeregten Triplett-Zustand versetzt und dadurch hochreaktive Sauerstoffradikale entstehen, die die DNA und die Zellwände der Mikroben schädigen. Je nach Art der Bakterien erweist sich die gesamte kontaminierte Probe unter einer normalen Leuchtstoffröhre innerhalb von drei bis sechs Stunden als tot.

Die größere Überraschung bietet eine Probe, die im Dunkeln gelassen wird, denn auch bei dieser wird eine signifikante Verringerung der Bakterienlast festgestellt, allerdings über einen längeren Zeitraum von etwa drei bis achtzehn Stunden. Dies ist das erste Mal, daß eine durch Licht aktivierte antimikrobielle Oberfläche in der Dunkelheit irgendeine Wirkung zeigt, weshalb dem Team auch ein Patent darauf erteilt wird. Der genaue Mechanismus, durch den diese Dunkelabtötung funktioniert, ist allerdings noch nicht klar.

Die neue lichtaktivierte Beschichtung besteht aus winzigen Clustern aus chemisch modifiziertem Gold, die in ein Polymer und in den Farbstoff Kristallviolett eingebettet sind. Dank der Zugabe von Gold wird der Farbstoff dazu veranlaßt, Wasserstoffperoxid zu erzeugen, wenn er Umgebungslicht ausgesetzt wird. Und da die Goldcluster jeweils nur 25 Goldatome enthalten, wird im Vergleich zu ähnlichen Beschichtungen nur sehr wenig von diesem Edelmetall benötigt.

Wissenschaftler der National University of Singapore (NUS) unter der Leitung der Professoren Tan Swee Ching und Andrew Wee berichten im Mai 2020, daß sie einen Schatteneffekt-Energiegenerator (SEG) entwickelt haben, welcher sich den Kontrast zwischen hellen und dunkleren Umgebungen zunutze macht, um Strom zu erzeugen - eine Idee, die bislang noch nie verfolgt wurde und nun erstmals in dem Artikel ,Energy harvesting from shadow-effect’ beschrieben wird.

Der vorgestellte Prototyp besteht aus einer flexiblen, transparenten Kunststoffbasis und vier Zellen, die jeweils aus einer dünnen Trägerfolie konstruiert sind, auf der goldbeschichtete Siliziumwafer aufgebracht sind. Diese Zellen sind in der Herstellung billiger als vergleichbare Silizium-Solarzellen.

Wenn das gesamte SEG entweder ganz im Licht oder im Schatten liegt, erzeugt es wenig oder gar keinen Strom. Wird jedoch ein Teil des SEG dem Licht ausgesetzt und ein Teil dem Schatten, entsteht ein Spannungsunterschied zwischen den beleuchteten und unbeleuchteten Teilen, der einen signifikanten elektrischen Strom erzeugt.

In Labortests bei halbschattiger Innenbeleuchtung kann der SEG kleine Geräte wie Digitaluhren o.ä. mit Strom versorgen. Die höchste Stromausbeute wird erreicht, wenn er zur Hälfte im Licht und zur Hälfte im Schatten liegt, da diese Anordnung gleiche Flächen für die Ladungserzeugung bzw. für das Sammeln und Ableiten der Elektronen bietet.

Ohne jede Optimierung erreicht der SEG unter Innenraum-Bedingungen mit 0,001 % der Sonneneinstrahlung und anhaltenden Schatten eine Leistungsdichte von 0,14 µW/cm², was 200 % besser ist als eine kommerzielle Silizium-Solarzelle unter gleichen Bedingungen. Der vierzellige SEG produziert bei 0,0025 Sonnen und halber Beschattung mit rund 1,2 V genügend Spannung, um eine digitale Uhr zu betreiben.

Die SEGs können außerdem als Bewegungs- oder Annäherungssensoren dienen - denn wenn ein sich bewegendes Objekt einen Schatten auf eines der Geräte wirft, wird ein meßbarer elektrischer Strom erzeugt. Um die Kosten der Technologie weiter zu senken, soll das Gold in Zukunft durch ein billigeres Material ersetzt werden. Darüber hinaus wollen die Forscher untersuchen, ob und wie sich SEGs zur tragbaren Stromerzeugung anpassen lassen, beispielsweise integriert in Kleidung. In den Kommentaren wird hingegen der Vorschlag gemacht, SEGs als Solarpaneele zu verkaufen, bei denen die Hälfte abgeschattet auf der Unterseite verbaut ist.

Im Januar 2021 folgt der einsehbare Bericht ,Shadow enhanced self-charging power system for wave and solar energy harvesting from the ocean’, in welchem das Team einen Nanogenerator beschreibt, der den Schatten-Effekt mit dem triboelektrischen Effekt (TENG) verbindet, um als hybrides Stromgewinnungssystem zu fungieren.

Um sowohl Sonnen- als auch Wellenenergie aus dem Meer einzufangen und zu speichern, wird eine auf dem Schatten/Tribo-Effekt basierende, schwimmende Energiekugel (energy ball) mit einem Durchmesser von 8 cm demonstriert, in der mehrere Faser-Superkondensatoren (F-SCs) integriert sind, um ein selbstaufladendes Energiesystem zu bilden.

Ein weiterer einsehbarer Bericht, der im Mai 2020 erscheint, stammt von Forschern der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU), der Université Polytechnique Hauts-de-France in Valenciennes und des Politecnico di Torino. In der Studie ,Tunable photo-responsive elastic metamaterials’ geht es um lichtempfindliches Metamaterial (Light-Responsive MetaMaterial, LRMM), das zu wesentlichen Verbesserungen bei Vorrichtungen zur Steuerung elastischer und akustischer Wellen, Strahlteiler, Schalter und Filter führen könnte.

Während die meisten der vorhandenen Metamaterialien einen Frequenzgang aufweisen, der nach der Herstellung der Struktur nicht mehr angepaßt werden kann, präsentiert das Team um Antonio S. Gliozzi nun ein polymeres 3D-gedrucktes Metamaterial mit periodischen quadratischen Säulen, das diese Einschränkung überwindet, indem sein Transmissionsspektrum durch ein Lichtfeld deterministisch eingestellt werden kann. Bei selektiver Laserbeleuchtung wird eine reversible Verdoppelung der Breite einer bestehenden Frequenzbandlücke demonstriert.

Die einsehbare Studie ,Photomechanical materials driven by photoisomerization or photodimerization’ von Mizuho Kondo von der University of Hyogo in Japan, die im Juni veröffentlicht wird, bietet wiederum eine Übersicht der wichtigsten Beispiele für die jüngste Entwicklung photodeformierbarer Materialien unter Verwendung verschiedener Photoreaktionen. Dazu gehören Kristalle und Polymere, die photoreaktive Verbindungen enthalten, sowie vernetzte flüssigkristalline Polymere, die die Vorteile von makroskopisch verformbaren Polymeren und Kristallen vereinen. Zudem werden verschiedene Photoreaktionen untersucht, um makroskopische Verformungen mit Hilfe von Licht hervorzurufen.

 

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