Ausgewählte Publikationen

Maschinelles Lernen erobert die klassischen Naturwissenschaften

Wednesday, 25th January 2017Ausgewählte Publikationen

Gemeinsame Presseerklärung der Technischen Universität Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Luxemburg, verfasst von Katharina Jung, Wissenschaftsjournalistin)

Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern der Technischen Universität Berlin, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Luxemburg hat einen Algorithmus entwickelt, der aus Chemiedaten lernt und ein neues Verständnis komplexer Moleküle erzeugt. Diese Arbeit zeigt das Potenzial von künstlicher Intelligenz oder maschinellem Lernen, den Erkenntnisgewinn in den Naturwissenschaften voranzutreiben.

In den letzten Jahren haben datengetriebene Lern-Algorithmen diverse Disziplinen revolutioniert, darunter die Suche im Internet, Textanalyse und maschinelle Übersetzung sowie Sprach- und Bilderkennung. Aus diesem Grund investieren Technologieunternehmen wie Google, Amazon, Facebook und Microsoft massiv in maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz – ein sehr rechenintensives Feld, das unter anderem durch den Einsatz von Grafikkarten zur parallelen Berechnung der Algorithmen große Fortschritte machen konnte. Im Gegensatz dazu sind Lern-Algorithmen, die in den Naturwissenschaften eingesetzt werden, oft noch eher simpel und waren bisher nicht in der Lage, neue physikalische oder chemische Gesetze zu finden, die ihnen nicht explizit vorgegeben waren.

Jetzt haben die Gruppen von Prof. Dr. Klaus-Robert Müller (TU Berlin) und Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko (Universität Luxembourg und FHI Berlin) einen Lernalgorithmus entwickelt, der das Verhalten von komplexen Molekülen aus einer großen Datenbank von quantenchemischen Berechnungen analysieren und dadurch Neues entdecken kann. Insbesondere haben die Wissenschaftler ein sogenanntes „deep tensor neural network“ (DTNN) entwickelt, welches automatisch eine Repräsentation für Atominteraktionen in Molekülen findet. Dies ermöglicht chemisch und örtlich aufgelöste Einsichten in quantenmechanische Messgrößen. So konnte das DTNN zum Beispiel eine Gruppe von chemischen Molekülen (sogenannte aromatische Ringe) bezüglich ihrer Stabilität neu klassifizieren sowie Moleküle mit außergewöhnlicher elektronischer Struktur identifizieren. Insgesamt demonstriert diese Arbeit das hohe Potenzial von künstlicher Intelligenz in der Chemie und anderen Naturwissenschaften.

„Die Interpretierbarkeit von statistischen Modellen ist entscheidend, da sie deren Grenzen und Schwächen aufzeigen kann. Bislang wurde das maschinelle Lernen vor allem angewendet, um möglichst genaue Vorhersagen zum Beispiel über die Energien bestimmter chemischer Moleküle zu machen. Allerdings hatte man keine Erkenntnisse über den zugrundeliegenden Mechanismus. Jetzt ist es uns erstmals gelungen, in einer Art ‘Rückwärtsschritt‘ anhand der Vorhersagen, die das maschinelle Lernen über bestimmte Moleküle macht, Erkenntnisse über die zugrundeliegenden naturwissenschaftlichen Phänomene zu gewinnen. Wir können die Ergebnisse interpretieren. Dadurch können wir effektivere und genauere Modelle konstruieren. Interpretierbarkeit war das fehlende Puzzlestück, um maschinelles Lernen zu einem weit verbreiteten Werkzeug in der wissenschaftlichen Forschung zu machen“, sagt Prof. Dr. Klaus-Robert Müller, Leiter des Fachgebiets Maschinelles Lernen an der Technische Universität Berlin.

„Aufgrund der unkonventionellen Kombination aus künstlicher Intelligenz und Quantenmechanik, kann unsere Methode neuartige chemische Erkenntnisse gewinnen, wie statistische Maße für Molekülstabilität und Aromatizität, und somit den Weg für eine breitere Anwendung in der chemischen Forschung bereiten“, sagt Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko, Leiter der Gruppe für Theoretische Chemische Physik an der Universität Luxembourg.

Diese Arbeit wurde gefördert von der Einstein Stiftung Berlin sowie der DFG, dem BMBF (Berlin Big Data Center) und dem European Research Council.

Originalveröffentlichung:

[1] Kristof T Schütt, Farhad Arbabzadah, Stefan Chmiela, Klaus-Robert Müller, Alexandre Tkatchenko
Quantum-chemical insights from deep tensor neural networks
Nature Communications, 9th January 2017, DOI: 10.1038/NCOMMS13890

Weitere Informationen erteilen Ihnen gern:
Prof. Dr. Klaus-Robert Müller
TU Berlin, Machine Learning Group und Berlin Big Data Center
Tel.: 030/314-78620
Prof. Dr. Alexandre Tkatchenko
University of Luxembourg, Theoretical Chemical Physics group
Tel.: +352 46 66 44 5138

Molekulare Eintopf-Analyse ermöglicht die weltweit erste Beschreibung der Struktur von Amyloid-Zwischenprodukten

Tuesday, 27th September 2016Ausgewählte Publikationen
Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden, © Sven Jungtow

Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden, © Sven Jungtow

Wissenschaftlern der Freien Universität und der Max-Planck-Gesellschaft gelingt erstmals die Untersuchung von Aggregaten, die in Verdacht stehen, Alzheimer zu verursachen

Wissenschaftlern der Freien Universität Berlin und des Fritz-Haber-Institutes der Max-Planck-Gesellschaft ist ein wichtiger Schritt bei der Erforschung der biochemischen Ursachen der Krankheiten Alzheimer und Parkinson gelungen. Durch die Forschungsergebnisse von Prof. Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden wird jetzt möglicherweise die Entwicklung neuer Medikamente vorangetrieben, mit denen die Ursachen der Krankheit direkt bekämpft werden können. Die Ergebnisse wurden in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Die Ursachen neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson sind bisher nicht genau aufgeklärt. In beiden Fällen kann man im Verlauf der Krankheit eine Fehlsteuerung beobachten, versteht aber noch nicht, was genau sie auslöst. Charakteristisch ist dabei, dass sich wasserlösliche Proteine zu großen unlöslichen Fasern zusammenlagern. Bei Alzheimer bilden sich so aus Proteinbruchstücken, die der Körper normalerweise entsorgen kann, sogenannte Plaques, die sich zwischen den Neuronen ablagern und dabei langsam das Gehirn zerstören.

Wie sich in den vergangenen Jahren zeigte, sind Plaques jedoch nicht die Ursache der Alzheimererkrankung, sondern lediglich eine Folge. Wissenschaftler interessiert deshalb zunehmend die Frage, was während der tödlichen Plaquebildung passiert und wie die Verwandlung der harmlosen, löslichen Jekyll-Moleküle zur gefährlichen, unlöslichen Hyde-Form vonstatten geht. Die Indizien, dass es sich bei den krankheitsauslösenden Spezies um kurzlebige, toxische Zwischenprodukte handelt, verdichten sich; eine genaue Aufklärung ihrer Struktur ist jedoch eine äußerst komplizierte Aufgabe, die dem blinden Topfschlagen bei einem Kindergeburtstag ähnelt. Die fraglichen Zwischenprodukte präsentieren sich aus Sicht der Forscher nämlich nicht als sauber voneinander getrennte Bestandteile, sondern als eine Art Eintopf mit unbekannten Zutaten. Bei der Entwicklung von Wirkstoffen arbeiten Forscher deshalb bisher sozusagen mit verbundenen Augen. Genau an dieser Stelle setzt die Arbeit der Forscher der Freien Universität und des Fritz-Haber-Instituts an.

Der Forschergruppe um Juniorprofessor Dr. Kevin Pagel und Dr. Gert von Helden gelang es dabei erstmals, eine Methode zu entwickeln, mit der die Struktur der wahrscheinlich krankheitsauslösenden Zwischenprodukte aufgeklärt werden kann. Hierzu wurden die einzelnen Zutaten des „Eintopfs“ getrennt voneinander analysiert, um herauszufinden, welche Inhaltsstoffe für seine letztlich tödliche Wirkung verantwortlich sind. Von dieser Grundlage aus können jetzt andere Wissenschaftler daran arbeiten, exakt diese Bestandteile zu neutralisieren.

Kevin Pagel und Gert von Helden gelang dies durch einen Trick: Sie kombinierten zwei Verfahren, um entscheidende Erkenntnisse zu gewinnen, die jedes einzelne Verfahren nicht liefert. Zum Einen ist dies die sogenannte Ionenmobilitäts-Spektrometrie – eine Art Windkanal für Moleküle – mit dem die Zwischenprodukte nach ihrem „Luftwiderstand“ sortiert werden können. Mit dieser Technik erfährt man jedoch nur, welche Form ein Molekül hat, aber nicht, welche genaue räumliche Struktur. Dieses Geheimnis wurde den Molekülen durch die zweite Technik entlockt, die Gasphasen-Infrarot-Spektroskopie. Dabei wurde entdeckt, dass bestimmte Zwischenprodukte auf dem Weg der Plaquebildung eine räumliche Struktur besitzen, die denen der ausgebildeten Plaques überraschend ähnlich ist. Auf eine ähnliche Weise können nun Medikamente getestet werden, die die Bildung genau dieser Spezies verhindern, um so hochspezifisch die Entstehung von Alzheimer zu verhindern.

Die Alzheimer-Krankheit ist die häufigste Form der Demenz, die meist bei Menschen ab dem Rentenalter bis zum 85. Lebensjahr auftritt. In Deutschland leiden zur Zeit etwa 1,3 Millionen Menschen an Demenzerkrankungen, 700.000 davon an Alzheimer. Bis zum Jahr 2050 wird mit einer Verdoppelung der Fallzahlen gerechnet.

Kontakt

  • Dr. Kevin Pagel, Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin, Takustraße 3, 14195 Berlin und Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Abteilung Molekülphysik, Faradayweg 4–6, 14195 Berlin, Telefon: +49 (0)30 – 838 – 72703 (Freie Universität Berlin)/ +49 (0)30 – 8413 – 5646 (Fritz-Haber-Institut), E-Mail: kevin.pagel@fu-berlin.de, im Internet: www.bcp.fu-berlin.de/chemie/pagel
  • Gert von Helden, Fritz Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Abteilung Molekülphysik, Faradayweg 4-6, 14195 Berlin, Telefon +49 (0)30-8413 – 5615, E-Mail: helden@fhi-berlin.mpg.de, im Internet: http://www.fhi-berlin.mpg.de/mp/helden/

Originalveröffentlichung

Seo, J.; Hoffmann, W.; Warnke, S.; Huang, X.; Gewinner, S.; Schöllkopf, W.; Bowers, M.T.;von Helden, G.; and Pagel, K.;
An Infrared Spectroscopy Approach to Follow β-Sheet Formation in Peptide Amyloid Assemblies
Nature Chemistry 2016, doi: 10.1038/NCHEM.2615


Lutz Waldecker erhält für seine Dissertation den Carl-Ramsauer-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin

Wednesday, 7th September 2016Ausgewählte Publikationen

In seiner Arbeit mit dem Titel „Elektron-Gitter Wechselwirkungen und ultraschnelle Strukturdynamik in Festkörpern“ untersuchte er die Wechselwirkungen zwischen den Atomrümpfen von Festkörpern und deren äußeren Elektronen. Diese Wechselwirkungen bestimmen fundamentale Eigenschaften wie die elektrische oder thermische Leitfähigkeit des Materials und sein Verhalten unter extremen Bedingungen.

Zur Untersuchung dieser Wechselwirkungen wurde mithilfe kurzer Laserimpulse ein Ungleichgewicht zwischen Elektronen und Atomrümpfen präpariert. Das Gleichgewicht wird innerhalb extrem kurzer Zeiten von wenigen 100 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) aufgrund der Wechselwirkungen wiederhergestellt. Es wurden komplementäre optische und Beugungs-Methoden entwickelt, die Momentaufnahmen der optischen Eigenschaften und der atomaren Struktur des Materials machen und es daher erlauben, diese Prozesse in Echtzeit zu beobachten. Die Anwendung dieser Methoden ermöglichte es, neue Details der Wechselwirkungen in einfachen Metallen sowie in zweidimensionalen Halbleitern zu erklären. Experimente mit Phasenwechsel-Materialien nach starker Laseranregung gaben neue Einblicke, wie sich diese Materialien während eines Phasenüberganges verhalten und welchen Einfluss die Wechselwirkungen von Elektronen und Gitteratomen auf den Phasenwechsel haben. Die Ergebnisse zeigen, dass Phasenwechsel-Materialien ihre optischen Eigenschaften sehr schnell ändern, ohne dass sich die atomare Struktur ändert, was für die Entwicklung schneller optischer Kommunikation verwendet werden könnte.


Die Kraft zur Schaltung eines einzelnen Moleküls

Monday, 11th July 2016Ausgewählte Publikationen
(Oben) Einzelnes Porphycen-Molekül, dargestellt bei 5 K mit einem Raster-Sonden-Mikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslösen kann. (Unten) Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül pendelt zwischen zwei Zuständen, ausgelöst durch den intramolekularen Transfer eines Wasserstoffatoms (Pfeile).

Oben: Einzelnes Porphycen-Molekül, gemessen bei 5 K mit einem Rastertunnelmikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslöst.
Unten: Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül schaltet durch den intramolekularen Transfer von Wasserstoffatomen zwischen zwei Zuständen (dargestellt durch die gekrümmten Pfeile).

Schalter befinden sich überall in unserem modernen Leben und jeder weiß, wie viel Kraft benötigt wird, um mit einem Lichtschalter das Raumlicht anzuschalten – die Kraft eines Fingers genügt. Doch wie viel Kraft ist erforderlich, wenn man die Größe des Schalters drastisch reduziert und in der „Nano-Welt“ einen einzelnen „molekularen Schalter“ betätigt? Diese fundamentale Frage ist nicht nur für die Grundlagenwissenschaft relevant, sondern auch für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten in der molekularen Elektronik. Wissenschaftlern am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Berlin) ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Polen (Warschau), Spanien (San Sebastian) und Großbritannien (Liverpool) gelungen, mit einem hochmodernen Rastersondenmikroskop die Kräfte zu messen, die benötigt werden, um einen einzelnen „molekularen Schalter“ zu schalten. Sie ermittelten, dass nur eine extrem kleine Kraft von Bruchteilen von Nano-Newton (10-9 Newton) benötigt wird, um ein einzelnes Molekül zu schalten.

Sie fanden heraus, dass ein intramolekularer Wasserstoffatomtransfer, eine sogenannte Tautomerisierung, in einem Porphycen-Molekül – ein rund 1 nm (10-9 m) großes organisches Molekül – auf einer Kupferoberfläche durch die Annäherung einer nur ein  Atom messenden Spitze ausgelöst werden kann. Die Tautomerisierung schaltet ein organisches Molekül zwischen zwei (oder mehr) Zuständen und ist ein vielversprechendes System für eine Anwendung in zukünftigen molekularen elektronischen Bauteilen. Die Experimente konnten nicht nur die notwendige Kraft zum Schalten ermitteln, sondern zeigten außerdem, dass das Schalten des Moleküls an einer bestimmten Position im Molekül ausgelöst wird. Das Experiment erreicht hierbei eine räumliche Auflösung von 0,02 nm und ist damit genauer als die Länge einer typischen chemischen Bindung (0,1 nm). Zudem wurde die Bedeutung der chemischen Reaktivität der Spitze demonstriert, da das Molekül nicht geschaltet werden kann, wenn ein einzelnes Xenonatom – ein reaktionsträges Edelgas – die Spitze bildet, selbst wenn eine ausreichende Kraft ausgeübt wird. Der Mechanismus des Schaltens lässt sich daher nicht mit einer rein mechanischen Kraftwirkung erklären.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments. Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments.
Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Mit einem Supercomputer berechneten die Wissenschaftler detaillierte Simulationen des Experimentes, um den Mechanismus des Schaltens aufzuklären. Ihre Simulationen konnten die Tautomerisierung durch Krafteinwirkung korrekt wiedergeben und lieferten ein detailliertes Verständnis der Arbeitsweise des einzelnen molekularen Schalters auf der atomaren Ebene. Dabei wird das Schalten nicht durch eine rein mechanische Kraftwirkung ausgelöst sondern entspricht der Aktivierung bei einer katalytischen Reaktion. Die Wissenschaftler hoben hervor, dass diese Forschungsergebnisse daher zu einem tieferen mikroskopischen Einblick in katalytische Reaktionen beitragen und zu einer neuen Methode zur Kontrolle der Chemie auf der atomaren Ebene führen können.

Kontakt

Dr. Takashi Kumagai
Arbeitsgruppenleiter
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Abteilung Physikalische Chemie
Email: kuma@fhi-berlin.mpg.de
Web: http://www.fhi-berlin.mpg.de/pc/kumagai/
Tel.: +49 (0)30 8413 5110

Originalveröffentlichung

Force-induced tautomerization in a single molecule
Ladenthin et al. Nature Chemistry (http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2552)

Hier können Sie die Japanische Version lesen.


Der Wechselwirkung zwischen Licht und Molekülen auf der Spur

Thursday, 9th June 2016Ausgewählte Publikationen

Im 19. Jahrhundert stellte James Clerk Maxwell die klassische Theorie des Elektromagnetismus auf. Sie beschrieb erstmals Licht als elektrische und magnetische Felder, die orthogonal zueinander oszillieren. Meistens ist es jedoch die elektrische Feldkomponente, die die Wechselwirkung zwischen Licht und Molekülen bestimmt, beispielsweise bei einem Absorptionsprozess. Der Einfluss der magnetischen Wechselwirkung wird nur dann bemerkbar, wenn die elektrische nicht stattfindet, gerade wenn sie aus Symmetriegründen verboten ist. Rein magnetische Übergänge sind normalerweise zehn- bis hunderttausendfach schwächer als die vergleichbaren erlaubten elektrischen Übergänge, was die Messung der relativen Stärken von elektrischen zu magnetischen Übergängen und die Überprüfung quantenmechanischer Vorhersagen vor enorme experimentelle Herausforderungen stellt.

Coil and plate design

Anordnung der Kondensatorplatten und der Magnetspulen

Scheme of the experimental setup

Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus

In der Abteilung Molekülphysik wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem extern ein statisches elektrisches und ein statisches magnetisches Feld genutzt wurden, um Einschränkungen durch molekulare Symmetrien aufzuheben. Das externe statische elektrische Feld erlaubt es, einen kleinen Anteil des ansonsten verbotenen elektrischen Dipolübergangs einem magnetischen Dipolübergang beizumischen. So kommt es dazu, dass das Molekül sowohl mit der elektrischen als auch der magnetischen Feldkomponente des Lichts in Wechselwirkung tritt. Weiterhin erlaubt das externe statische Magnetfeld noch den Effekt der so genannten Stark-Interferenz zu beobachten. Dies gestattet viel tiefere Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Licht und Molekülen, weil nicht nur die Stärken der elektrischen und magnetischen Übergangsdipolmomente gemessen werden konnte, sondern auch deren relatives Vorzeichen. Normalerweise ergibt sich die Intensität der Übergänge aus dem Betragsquadrat der Übergangsdipolmomente. Die experimentellen Resultate stimmen mit quantenmechanischen Rechnungen innerhalb des experimentellen Fehlers überein, sowohl was die Stärke der Übergangsdipolmomente als auch deren relatives Vorzeichen anbelangt.

 

Originalveröffentlichung:
Stark Interference of Electric and Magnetic Dipole Transitions in the AX Band of OH
H. Christian Schewe, Dongdong Zhang, Gerard Meijer, Robert W. Field, Boris G. Sartakov, Gerrit C. Groenenboom, Ad van der Avoird, and Nicolas Vanhaecke
Phys. Rev. Lett. 116, 153001 – Published 11 April 2016 (http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.153001)


Neue Terahertz-Quelle

Wednesday, 25th May 2016Ausgewählte Publikationen

 

Prinzip des Emitters. Ein extrem kurzer Laserimpuls treibt Elektronen aus dem Magneten in den benachbarten Nichtmagneten. Entscheidend ist, dass es zwei Sorten von Elektronen gibt, die sich durch ihren Spin (dicke hellblaue Pfeile) und ihre Anzahl unterscheiden (Länge der dicken Pfeile). Im Nichtmagneten erfahren diese Elektronen je nach Ausrichtung ihres Spins eine Ablenkung nach oben oder unten. Der daraus resultierende kurze Stromfluss entlang des roten Pfeiles sorgt für die Abstrahlung eines Terahertzimpulses.

Prinzip des Emitters. Ein extrem kurzer Laserimpuls treibt Elektronen aus dem Magneten in den benachbarten Nichtmagneten. Entscheidend ist, dass es zwei Sorten von Elektronen gibt, die sich durch ihren Spin (dicke hellblaue Pfeile) und ihre Anzahl unterscheiden (Länge der dicken Pfeile). Im Nichtmagneten erfahren diese Elektronen je nach Ausrichtung ihres Spins eine Ablenkung nach oben oder unten. Der daraus resultierende kurze Stromfluss entlang des roten Pfeiles sorgt für die Abstrahlung eines Terahertzimpulses.

Internationales Forscherteam realisiert kompakte Quelle mit extrem breitbandiger Frequenzabdeckung

Terahertz-Wellen bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, sind bisher jedoch schwierig und eingeschränkt zu erzeugen. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Institutes der Max-Planck-Gesellschaft haben mit nationalen und internationalen Partnern ein neuartiges Konzept zur Erzeugung dieser elektromagnetischen Strahlung entwickelt. Ihr Emitter in Form einer dünnen Metallschicht kann das gesamte Terahertz-Spektrum erzeugen. Möglich macht dies die geschickte Nutzung der Spineigenschaft von Elektronen. Auf der Basis dieses Prinzips lassen sich effizientere Quellen bauen, die erstmals lückenlos über die große Bandbreite von 1 bis 30 Terahertz abstrahlen. Der neue Emitter ist zudem kostengünstiger herstellbar. (Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.91).

Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und dem infrarotem Licht im Frequenzbereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz. Die Strahlung ist äußerst nützlich, denn sie durchdringt viele Materialien, darunter Textilien und Kunststoffe, und wird von anderen Substanzen auf charakteristische Weise absorbiert. Anders als etwa Röntgenstrahlen sind Terahertz-Strahlen gesundheitlich unbedenklich. Sie finden deshalb zum Beispiel in Körperscannern an Flughäfen Verwendung oder werden zur Qualitätskontrolle von Nahrungs- oder Arzneimitteln genutzt.

Die Nutzung des gesamten Terahertz-Spektrums wurde jedoch bisher dadurch verhindert, dass Apparate für dessen lückenlose Erzeugung teuer und groß sind. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts in Berlin und ihre Partner in Mainz, Greifswald und Jülich sowie den USA, Schweden und Frankreich haben nun einen Terahertz-Emitter gebaut, der skalierbar ist und sich für Tischgeräte eignet (s. Abbildung). „Er erzeugt das gesamte Spektrum von 1 bis 30 Terahertz und ist dabei energieeffizienter, einfacher zu bedienen und günstiger in der Herstellung als bisherige Quellen“, freut sich Tom Seifert, Doktorand in der Terahertz Physics Group am Fritz-Haber-Institut. „Wir erwarten einen raschen und breiten Einsatz.“

Foto des Prototypen der Terahertz-Quelle.

Foto des Prototypen der Terahertz-Quelle.

Die Quelle nutzt einen kompakten Femtosekundenlaser, der 80 Millionen ultrakurze Lichtblitze pro Sekunde erzeugt. Herkömmliche Geräte benötigen deutlich leistungsstärkere Laser, die viel teurer, aufwendiger und größer sind und mehr Energie verbrauchen.

Der Emitter hat Ähnlichkeit mit einer Photodiode oder auch einer Solarzelle. Die Beleuchtung des Materials mit einem ultrakurzen Laserblitz erzeugt einen Stromstoß, der dann einer Sendeantenne gleich einen elektromagnetischen Impuls abstrahlt. Im Gegensatz zu Solarzellen besteht der Emitter aus einem nur 5,8 Nanometer dünnen Metallfilm, so dass der Stromstoß extrem kurz ist und die Terahertz-Strahlung im Emittermaterial kaum abgeschwächt wird. Nachdem die Forscher die verwendeten Metalle und Schichtdicken systematisch optimierten, reicht nun relativ schwache Laserstrahlung zur Erzeugung des gesamten Spektrums von 1 bis 30 Terahertz aus.

Seiferts Betreuer Tobias Kampfrath erklärt eine weitere wichtige Zutat der neuen Terahertz-Quelle: „Der Emitter funktioniert so gut, weil wir zusätzlich zur Ladung der Elektronen auch ihren Spin nutzen.“ Der Spin ist eine magnetische Eigenschaft der Elektronen und dafür verantwortlich, dass sich Strom in magnetischen Metallen anders verhält als in nichtmagnetischen. Dieser Effekt wird in der neuen Quelle geschickt ausgenutzt, um den Elektronenfluss so zu steuern, dass die Terahertz-Welle besonders gut abgestrahlt werden kann.

Originalveröffentlichung:

Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation;
T. Seifert et al., Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.91

Kontakt:
Tobias Kampfrath, Terahertz Physics Group, FHI
kampfrath@fhi-berlin.mpg.de


Zucker im Windkanal

Thursday, 1st October 2015Ausgewählte Publikationen

Einem Berliner Forscherteam um Kevin Pagel von der Freien Universität Berlin und dem Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft und Peter Seeberger vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der Freien Universität Berlin haben die Analyse von Kohlenhydraten entscheidend verbessert. Mit dem von Pagel und Seeberger entwickelten Verfahren können komplexe Zucker jetzt auch sequenziert werden. Es ist nun möglich, schneller und einfacher geringste Verunreinigungen zu erkennen und damit die Qualitätskontrolle von synthetisch hergestellten Kohlenhydraten zu ermöglichen. Das Verfahren ist wichtig für die Entwicklung neuartiger Impfstoffe, Wirkstoffe und Diagnostika. Für die Glykobiologie ist dies ein ähnlicher Durchbruch wie die DNA-Sequenzierung für die Genetik.

Kohlenhydrate sind wesentlich komplizierter aufgebaut als die DNA oder Proteine. Während DNA-Moleküle aus vier Grundbausteinen und Proteine aus 20 Aminosäuren aufgebaut sind, existieren in der Natur mehr als 100 Zuckerbausteine. Darüber hinaus sind die DNA-Grundbausteine und Aminosäuren ausschließlich kettenförmig aneinandergefügt. Zucker können aber auch Verzweigungen und räumlich unterschiedliche Anordnungen (Anomere) bilden. Fast alle Zellen sind von einem Zuckermantel umgeben, der für Immunantworten, für die Identifizierung von Zellen untereinander und die Befruchtung von Eizellen verantwortlich ist. Zucker spielen also eine sehr wichtige Rolle in vielen  natürlichen Abläufen.

Die ungeheure Vielfalt der aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehenden Zuckermoleküle in der Natur kann aber für Chemiker bei der Forschung zum Problem werden, wenn sie spezifische Moleküle finden oder herstellen wollen.  Denn einzelne Zuckerbausteine können auf sehr viele verschiedene Arten aneinander binden. Schon einfache Zuckermoleküle haben oft genau die gleiche Anzahl von Atomen, besitzen also die gleiche Masse; nur der Winkel einer Bindung unterscheidet sie. Diese anscheinend gleichen Moleküle, sogenannte Isomere, sind aber biologisch sehr unterschiedlich aktiv. Ein Beispiel sind Glukose und Galaktose. Die Summenformel ist identisch, C6H12O6, die Moleküle und deren biologische Wirkung sind es aber nicht.

Chemiker behelfen sich bei der Identifikation von Molekülen immer mit Tricks, denn auf der atomaren Ebene können die meisten Moleküle nicht beobachtet werden. Zum Beispiel ermitteln sie die Masse von Molekülen, untersuchen ihre magnetischen Eigenschaften oder das Licht, das sie aussenden, wenn die Substanzen verglühen. Damit kann man viele Verbindungen gut aufklären, aber all das hilft nicht, wenn es sich um Zucker-Isomere handelt, bei denen nur die Anordnung der Atome unterschiedlich ist. Es gibt drei Arten solcher Unterschiede in Zuckern aus der gleichen Anzahl von Atomen: Komposition, Konnektivität und Konfiguration, und alle drei waren bisher für Forscher nur mit sehr hohem Zeit und Materialaufwand und mit großen Molekülmengen feststellbar.

Die Berliner und Potsdamer Wissenschaftler haben dieses knifflige Problem jetzt durch die Kombination verschiedener Methoden gelöst: Sie nutzen die unterschiedliche Form der Moleküle. Die unterschiedlichen Formen erzeugen in einem gasgefüllten Raum, durch den die Moleküle geschickt werden, unterschiedlich starken Widerstand, vergleichbar mit dem sogenannten CW-Wert in einem Windkanal. Pagel und seine Kollegen kombinierten diese Messung der Ionenmobilität mit einer Messung der Molekülmassen. Dann glichen sie beide Informationen gegeneinander ab, um Unterschiede in der Komposition, Konnektivität und Konfiguration zu finden. Große Moleküle werden dabei in Bestandteile zerlegt, die Form der Bestandteile wird durch die Aufspaltung jedoch nicht verändert, so dass die Summe der Eigenschaften der Bestandteile das große Molekül genau beschreibt.

Kombiniert mit einer Datenbank, die derzeit erstellt und auch von anderen Wissenschaftlern bestückt werden soll, lässt sich das Analyseverfahren so auf eine immer größere Anzahl von Molekülen anwenden. Ist ein Molekül einmal systematisch identifiziert worden, kann es in Zukunft auch durch automatisierte Verfahren erkannt werden.

Praktischen Nutzen hat das neue Verfahren für die Qualitätskontrolle synthetisch hergestellter Zucker. Syntheseroboter reihen dabei Moleküle wie Perlen an einer Schnur auf. Bisher war es nur möglich, Unreinheiten zu entdecken, wenn sie mindestens fünf Prozent ausmachten. Mit der neuen „Windkanalmethode“ konnte diese Nachweisgrenze auf 0,1 Prozent verringert werden. „Die neue Methode ist schnell, zuverlässig und sehr sensitiv. Dadurch wird die Glykan-Sequenzierung einen riesigen Schub bekommen – ähnlich wie in der DNA Forschung, auch dort brachte die Gensequenzierung den Durchbruch“, erklärt Seeberger.

Die Glykobiologie beschäftigt sich mit biologisch aktiven Kohlehydraten. Sie ist eines der aussichtsreichsten Gebiete der Chemie und der Wissenschaft allgemein, Berlin ist weltweit eines der wichtigsten Zentren dieses Forschungsgebietes. Bis 1974 wurden sieben Nobelpreise in den Glykowissenschaften verliehen, dann jedoch wurde es ruhig um die Zucker, denn die Untersuchungsmethoden wurden nicht im gleichen Maß wie in der Genetik weiterentwickelt. Durch die neuen Ergebnisse hat das Forschungsgebiet einen weiteren großen Schritt zur technischen Nutzung gemacht.

Kevin Pagel mit dem Ionenmobilitäts-Massenspektrometer, Fotograf: Sven Jungtow

 

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Kevin Pagel
Juniorprofessor
Freie Universität Berlin, Institut für Chemie and Biochemie
und
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Abteilung Molekülphysik
Email: kevin.pagel@fu-berlin.de, Web: www.bcp.fu-berlin.de/chemie/pagel
Tel.: +49 (0)30 – 838 – 72703 (FU)/ +49 (0)30 – 8413 – 5646 (FHI)

Prof. Dr. Peter H. Seeberger
Direktor
Max-Planck-Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung
Abteilung Biomolekulare Systeme
und
Freie Universität Berlin
Institut für Chemie and Biochemie
Email: Peter.seeberger@mpikg.mpg.de, Web: http://www.mpikg.mpg.de/bs
Tel.: +49 (0) 331 – 567 – 9300

Originalveröffentlichung:  J. Hofmann, H. S. Hahm, P. H. Seeberger & K. Pagel: Identification of carbohydrate anomers using ion mobility–mass spectrometry
Nature, 1. Oktober 2015 (doi:10.1038/nature15388)


Lichtschalter auf DVD

Thursday, 30th July 2015Ausgewählte Publikationen

Da sich die elektronischen Eigenschaften eines optischen Speichermaterials schneller ändern als seine Struktur, könnte es neue Anwendungen finden

In DVDs steckt möglicherweise mehr als bisher angenommen. Das Material aus Germanium, Antimon und Tellur, in dem die Datenträger Information speichern, könnte sich nämlich auch als extrem schneller Lichtschalter für die optische Kommunikation oder Datenverarbeitung eignen. Das hat ein internationales Team um Forscher des Berliner Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft und vom ICFO-Institut de Ciències Fotòniques in Barcelona herausgefunden. Der Speichermechanismus in DVDs beruht darauf, dass Laserpulse die Struktur des Materials neu arrangieren und es dabei von einem transparenten in einen intransparenten Zustand schalten. Wie die Wissenschaftler jetzt herausgefunden haben, ändern sich die optischen Eigenschaften allerdings viel schneller als die Struktur. Das könnte sich ausnutzen lassen, um neuartige photonische Bauteile zu konzipieren.

Ordnung versus Unordnung: Elektronen werden in der kristallinen Struktur einer Verbindung aus Germanium, Antimon und Tellur (GST) anders gebeugt als in der amorphen. Das Beugungsbild des Kristalls (links) lässt sich daher von demjenigen des amorphen Materials (rechts) gut unterscheiden.

DVDs dürften bald zum Auslaufmodell werden, ihr Speichermaterial aber möglicherweise nicht […] Die Verbindung Ge2Sb2Te5, von Fachleuten kurz GST genannt, könnte allerdings neue Aufgaben finden. Seinen Job in wiederbeschreibbaren DVDs verdankt das Material der Tatsache, dass Laserblitze es sehr schnell von einer stark reflektierenden kristallinen Form in eine weniger gut reflektierende ungeordnete Variante umwandeln. Die beiden Zustände codieren dann die Nullen und Einsen digitaler Information. „Wir zeigen mit unserer Arbeit, dass sich das Material auch für andere Anwendungen ausnutzen lässt als für die Datenspeicherung“, sagt Ralph Ernstorfer, Leiter einer Forschungsgruppe am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin. „GST könnte sich etwa für Modulatoren in der optischen Kommunikation oder für Bauelemente in einer optischen Computertechnik eignen.“Die neuen Funktionen stehen dem Material offen, weil das Team um Ralph Ernstorfer und Simon Wall, Wissenschaftler am ICFO-Institut de Ciències Fotòniques, eine bislang unbekannte Eigenschaft an ihm entdeckten. Es ändert seine optischen Eigenschaften wie Transparenz, Reflektivität und Absorptionsfähigkeit nämlich instantan, während die Struktur erst verzögert auf die Anregung reagiert. Für die Wissenschaftler war das ziemlich überraschend. „Bislang dachte man, das optische Verhalten wechselten so schnell, weil sich die Struktur ändere“, sagt Ralph Ernstorfer (weiterlesen).

Originalveröffentlichung:
Lutz Waldecker, Timothy A. Miller, Miquel Rudé, Roman Bertoni, Johann Osmond, Valerio Pruneri, Robert E. Simpson, Ralph Ernstorfer und Simon Wall
Time-domain separation of optical properties from structural transitions in resonantly bonded materials

Ein Elektron auf Tauchgang

Tuesday, 31st March 2015Ausgewählte Publikationen

Erkenntnisse, wie Elektronen in Wasser gelöst werden, erweitern die Einflussmöglichkeiten auf chemische Reaktionen

Chemie kann ziemlich unübersichtlich sein. Damit bei einer Reaktion der gewünschte Stoff entsteht, sich zwei Substanzen überhaupt aufeinander einlassen oder gerade nicht, müssen Chemiker zahlreiche Faktoren berücksichtigen. Forscher des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin machen ihnen jetzt eine weitere Stellschraube zugänglich. Sie haben bestimmt, wie stark Elektronen gebunden sind, wenn sie von Wasser aufgenommen werden – und zwar ganz zu Anfang, sobald die negativen Ladungsträger von einem Material wie etwa einem möglichen Reaktionspartner ins Wasser abgegeben werden. Elektronen sind die eigentlichen Akteure in chemischen Reaktionen, weil sie dabei zwischen verschiedenen Atomen verschoben werden. Ob das passiert, hängt von ihrer Bindungsenergie an die unterschiedlichen Komponenten ab. Und bei Reaktionen in wässrigen Lösungen ist die Bindungsenergie eines Elektrons am Anfang des Prozesses, bei dem dieses gelöst wird, ein entscheidender Faktor. Jetzt da er bekannt ist, können Chemiker ihn berücksichtigen, wenn sie Reaktionen planen oder verhindern möchten (hier geht es zum ausführlichen Artikel der MPG-Pressestelle).

Am Lichtkatapult: Jan-Christoph Deinert justiert den blauen Laser, mit dem Forscher des Fritz-Haber-Instituts Elektronen aus einer Kupferplatte in eine dünne, amorphe Eisschicht schleudern. Die Eisschicht dient ihnen als Modell für flüssiges Wasser. Mit ihren Experimenten untersuchen die Forscher, wie das Elektron darin gelöst wird. Foto: Clemens Richter / Fritz-Haber-Institut

Originalpublikation:
Real-Time Measurement of the Vertical Binding Energy during the Birth of a Solvated Electron
Julia Stähler, Jan-Christoph Deinert, Daniel Wegkamp , Sebastian Hagen und Martin Wolf
Journal of the American Chemical Society, online 22. Januar 2015, 2015; doi: 10.1021/ja511571y


Zeitaufgelöste Abbildung von kalten Molekülen auf einem Molekülchip

Wednesday, 18th December 2013Ausgewählte Publikationen

Auf der Suche nach immer mehr Kontrolle über Moleküle haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts ihrem Molekülchip die letzte fundamentale Komponente hinzugefügt: Sie können die Moleküle direkt auf dem Chip nachweisen. Und nicht nur das, sie können dies sogar zeitaufgelöst tun.

Molekülchip mit integrierter Detektion. Die Moleküle werden in der Detektionszone auf dem Chip ionisiert und dann mittels Ionenoptik abgebildet, um ein zweidimensionales Bild der Molekülverteilung zu erhalten.

Der Molekülchip ist das Analogon zum Atom- bzw. Ionenchip. Aber während diese beiden bereits sehr weit entwickelt sind und Systeme aus wenigen Teilchen oder sogar einzelne Teilchen kontrollieren können, steckt die Entwicklung des Molekülchips noch in den Kinderschuhen.
Im Moment bestehen Molekülchips  aus einer Anordnung von Mikroelektroden auf einem Glas- oder Siliziumsubstrat. Sie waren bisher in der Lage, kalte Moleküle zu fangen und deren interne (Anregungen im Molekül) und externe Freiheitsgrade (äußere Eigenschaften wie Position und Geschwindigkeit) zu kontrollieren. Den Nachweis aber musste man mit externen Detektoren durchführen, die sich verhältnismäßig weit vom Chip entfernt befanden. Sollten jedoch auch kurzlebige Quantenzustände der Moleküle sowie die räumliche Dynamik von Molekülwechselwirkungen untersucht werden, waren die langen Flugzeiten zu den Detektoren alles andere als günstig.
In ihrer neuesten Arbeit, publiziert in der Zeitschrift Physical Review Letters, beschreiben Silvio Marx und seine Kollegen, wie sie ihren Molekülchip so weiterentwickelt haben, dass die Moleküle in einer integrierten Detektionszone ionisiert werden. Diese Ionen werden mit Ionenoptiken (Metallelektroden, an die man eine elektrische Spannung anlegt, um die Ionen z.B. zu beschleunigen oder zu fokussieren), die ebenfalls im Chip integriert sind, befördert und mit weiteren Ionenlinsen auf einem Detektor abgebildet, der die ursprüngliche Verteilung der Moleküle im Raum anzeigt. Zudem kann dies zeitaufgelöst erfolgen, sodass man die zeitliche Entwicklung des Systems verfolgen kann. Das gibt den Wissenschaftlern wertvolle Informationen über die Zustandsverteilung der Moleküle, woraus man zum Beispiel die Temperatur der Moleküle ablesen kann.
Damit haben die Wissenschaftler eine Möglichkeit geschaffen, Moleküle auf einem Chip zu fangen, zu manipulieren und nachzuweisen – ein neuer und aussichtsreicher Weg, um kalte Moleküle zu erforschen.

Originalveröffentlichung:
Imaging Cold Molecules on a Chip
S. Marx, D. Adu Smith, M. J. Abel, T. Zehentbauer, G. Meijer, and G. Santambrogio
Phys. Rev. Lett. 111, 243007 (2013)
Link: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i24/e243007
Zusammenfassung: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.111.243007