Ausgewählte Publikationen

Ultrafast Dynamics of Atomic Motion Viewed by the Electrons in Solids

Thursday, 22nd November 2018Ausgewählte Publikationen, Diverses

Capturing the motions of atoms in a so-called “molecular movie” is generally thought of as the Holy Grail for understanding chemical transformations or structural phase transitions in solids. However, atomic motion is not the whole story, as the forces driving these motions arise from details of the electronic structure and a gradient across a free energy landscape. Therefore, to obtain a complete picture of the processes driving structural changes, it is necessary to observe the dynamics of the electronic structure and track the temporal evolution of electronic states and their populations. By using femtosecond lasers to perform time- and angle-resolved photoemission spectroscopy, the changes of the electronic structure during the phase transition in indium nanowires on a silicon surface could be closely monitored, allowing a detailed reaction pathway to be extracted. This information combined with simulations of the electronic structure dynamics, made it possible to translate the electronic structure dynamics into a potential energy landscape and therefore extract not only the motion of atoms, but also the formation and breaking of chemical bonds during the phase transition. This provides a bridge between the languages of physics and chemistry for describing structural changes in both real and momentum space. Understanding how the transient electronic structure results in bond dynamics may in future allow the tailoring of chemical reactions and phase transitions via engineered light pulses.

Nicholson

Artists view of the excitation and formation of chemical bonds along Indiumnanowires (red balls)  on a Silicon(111) surface during the ultrafast photo­induced phase transition between the 8×2 and 4×1 structures. This real space view of atoms and bonds is complemented by detailed measurememets of the electronic  structure of electrons in their “momentum space” exhibiting the evolution of the band stuctrue providing a complete picture of the phase transition. © A.Lücke, Univ. Paderborn

Watching the motions of atoms in the course of a chemical reaction is generally thought of as the Holy Grail for understanding chemical transformations or phase transitions in solids. While recordings of such “molecular movies” have been achieved in recent years, the atomic motion does not reveal the whole story of why specific bonds break and others form. This is dictated by the arrangement of the electrons as the atoms move along gradients on an energy landscape defined by the electrons. It is therefore necessary to observe the dynamics of the electronic structure, which means to record an “electron movie”, to obtain a complete picture of the mechanisms driving chemical reactions.

An experimental team at the Fritz-Haber-Institut in Berlin and computational scientists at the University of Paderborn now filmed the electrons during a light-induced reaction. They investigated a single layer of indium atoms on top of a silicon crystal. At low temperatures, the indium atoms form an insulating layer with the atoms arranged as hexagons. At room temperature, however, the indium atoms rearrange and form conducting atomic wires. This phase transition can not only be induced by changing the temperature but also by exciting the cold material with a very short flash of light. This light pulse puts energy in the electrons of the material faster than the atoms can move. Due to the extra energy, the electrons reorganize and change the energy landscape for the atoms: the atoms immediately start to move. In turn, the swift electrons react to the change in the atomic structure. This dynamic interplay between electrons and atoms has been recorded with time- and angle-resolved photoemission spectroscopy: a second ultrashort laser pulse is used to emit few of the electrons at different times after the phase transition was initiated by the first laser pulses. By repeating this process billions of time, a movie of the electronic structure during the phase transition of the indium nanowires was obtained. This information, combined with simulations of the electronic structure dynamics, made it possible to translate the electronic structure dynamics into a movie of the atomic energy landscape. This detailed reconstruction of the reaction pathway reveals not only the motion of atoms but also the formation and breaking of chemical bonds during the phase transition.

The approach demonstrated by Nicholson et al. is generally applicable to physical processes like structural phase transitions in solids as well as to chemical reactions, for instance of molecules. The theoretical framework for describing the electronic structure, however, differ significantly between these cases: while electrons in a crystal are described as bands in momentum space, electrons in molecules are depicted as bonds in real space. The work by Nicholson et al. provides a bridge between the languages of physics and chemistry for describing photo-induced reactions. Understanding how the transient electronic structure results in bond dynamics may in future allow the tailoring of chemical reactions and phase transitions via engineered light pulses.

„Beyond the molecular movie: Dynamics of bands and bonds during a photoinduced phase transition“
Science, Vol. 362, Issue 6416, pp. 821-825
DOI: 10.1126/science.aar4183
http://science.sciencemag.org/content/362/6416/821


Reaktiver Zucker nach mehr als 100 Jahren Suche nachgewiesen

Wednesday, 17th October 2018Ausgewählte Publikationen

Berliner und Potsdamer Forscher beobachten erstmals Spezies die der Nobelpreisträger Emil Fischer 1893 vorhersagte / Veröffentlichung der Ergebnisse in Nature Communications

Komplexe Zucker sind allgegenwärtig. Sie machen 80% der Biomasse aus und sind essenzielle Bestandteile von lebenden Organismen. Die chemische Herstellung von komplexen Zuckern ist jedoch nach wie vor sehr schwierig. Einem Team von Forschern um Prof. Dr. Kevin Pagel von der Freien Universität Berlin und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPIKG) in Potsdam sowie dem Fritz-Haber-Institut (FHI) Berlin ist es nun gelungen, die bereits 1893 vom späteren Nobelpreisträger Emil Fischer (1902) vorausgesagte Schlüsselkomponente bei der Reaktion von Zuckern experimentell nachzuweisen und die atomare Struktur der Schlüsselkomponente aufzuklären. Die Erkenntnisse werden nach Einschätzung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler helfen, die Reaktionen von Zuckerbausteinen besser vorherzusagen und deren Herstellung zu vereinfachen (Nature Communications, 09. Oktober 2018, doi 10.1038/s41467-018-06764-3).

 

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Dreidimensionale Struktur der Oxoniumionen von Traubenzucker

© Freie Universität Berlin/Kevin Pagel

Der Berliner Chemiker und Nobelpreisträger von 1902, Emil Fischer (1852-1919), beschrieb 1893 erstmals eine Reaktion, mit der zwei Zuckerbausteine zu einem größeren Molekül verknüpft werden können. Diese Reaktion wird seitdem genutzt, um größere Zuckerketten herzustellen, die heute unter anderem als Impfstoffe dienen.

Schon zu Fischers Zeiten war bekannt, dass bei der Reaktion zum Teil unerwünschte Nebenprodukte auftreten. Spätere Untersuchungen zeigten, dass die Kupplung über ein hochreaktives Zwischenprodukt, ein Oxoniumion, erfolgt, an das von zwei verschiedenen Seiten ein weiterer Baustein geknüpft werden kann. Welches der beiden möglichen Produkte bei der Reaktion entsteht, wird bis heute anhand von empirischen Beobachtungen gesteuert. Die Oxoniumionen wurden aufgrund ihrer Reaktivität bisher jedoch nie direkt beobachtet. Der Forschergruppe um Prof. Kevin Pagel (Freie Universität), Prof. Peter H. Seeberger (Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung) und Prof. Gert von Helden (Fritz-Haber-Institut) gelang es nun erstmals, Oxoniumionen in der Gasphase des Vakuums einzufangen und dort genau zu untersuchen. Im Vakuum liegen Oxoniumionen in völliger Isolation vor. Ohne potenzielle Reaktionspartner sind sie so über mehrere Sekunden stabil und können charakterisiert werden. Um in dieser kurzen Zeit möglichst viele Informationen zu erlangen, wurden die reaktiven Zwischenprodukte in superflüssigem Helium schockgefroren und anschließend direkt durch Beschuss mit Laserlicht aus dem Freie-Elektronen-Laser des Fritz-Haber-Instituts untersucht. So wurde es erstmals möglich, die genaue atomare Struktur der Oxoniumionen zweifelsfrei zu entschlüsseln. „Damit gelang uns der direkte Nachweis der von Fischer vor über 100 Jahren vorgeschlagenen Schlüsselkomponente bei der Reaktion von Zuckern“, berichtet Kevin Pagel.

Die Ergebnisse haben eine Bedeutung, die weit über die Grundlagenforschung hinausgeht: Synthetische Zucker werden häufig pharmazeutisch genutzt. Sie dienen zum Beispiel als effektive Impfstoffe gegen eine Reihe von Infektionskrankheiten. Auch in alltäglichen Anwendungen sind sie von großer Bedeutung. Moderne Ersatzstoffe für Muttermilch enthalten beispielsweise eine Reihe von aktiven Zuckern, die essenziell für die Entwicklung des Immunsystems von Neugeborenen sind. „Für die Zuckerchemie sind die Ergebnisse ein wichtiger Durchbruch, da wir nun erstmals ohne aufwändiges Probieren Reaktionen vorhersagen können“, erklärt Peter H. Seeberger. So wird es in Zukunft möglich, sehr komplexe Zucker einfacher und sehr viel kostengünstiger herzustellen.

Pressekontakt:

Prof. Kevin Pagel, Institut für Chemie und Biochemie, Freie Universität Berlin und Abteilung Molekülphysik, Fritz-Haber-Institut der MPG, Tel. +49 30 8413–5646, E-Mail: kevin.pagel@fu-berlin.de

Originalveröffentlichung:

E. Mucha, M. Marianski, F.-F. Xu, D. A. Thomas, G. Meijer, G. von Helden, P. H. Seeberger, K. Pagel, Unravelling the structure of glycosyl cations via cold-ion infrared spectroscopy. Nature Communications 2018, 9, 4174.

 


Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

Monday, 16th July 2018Ausgewählte Publikationen

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung. Sie kommen in verschiedenen Varianten vor. Ferrimagnete bilden die größte Klasse von Magneten und bestehen aus zwei Arten von Atomen. Ähnlich einer Kompassnadel besitzt jedes Atom ein kleines magnetisches Moment, auch Spin genannt, welches von den Elektronen des Atoms erzeugt wird. Bei einem Ferrimagneten zeigen die magnetischen Momente der beiden Atome in entgegengesetzte Richtungen (siehe Abbildung A). Die Gesamtmagnetisierung ist somit die Summe aller magnetischen Momente von Typ 1 (M1, blaue Pfeile) und Typ 2 (M2, grüne Pfeile). Aufgrund der entgegengesetzten Richtung ist die Größe der Gesamtmagnetisierung durch die Differenz M1M2 gegeben.

Wird ein nicht leitender Ferrimagnet erwärmt, erreicht die Wärme zunächst das Atomgitter, wodurch sich die Atome zufällig um ihre Ruhelage bewegen. Schließlich verursacht ein Teil der Wärme auch eine zufällige Rotation (Präzession) der Spins um ihre ursprüngliche, kalte Richtung. Dadurch geht die magnetische Ordnung verloren. Die Gesamtmagnetisierung M1M2 nimmt ab und verschwindet schließlich, wenn die Temperatur des Ferrimagneten eine kritische Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur, überschreitet. Obwohl dieser Prozess von grundlegender Bedeutung ist, ist seine Dynamik noch nicht gut verstanden. Selbst für den Ferrimagneten Yttrium-Eisen-Granat (YIG), einen der am intensivsten erforschten Ferrimagnete, ist nicht bekannt, wie lange es dauert, bis das erwärmte Atomgitter und die kalten magnetischen Spins miteinander ins Gleichgewicht kommen. Bisherige Schätzungen dieser Zeitskala unterscheiden sich um einen Faktor von bis zu einer Million.

Ein Team von Wissenschaftlern aus Berlin (Sonderforschungsbereich/Transregio 227, Fritz-Haber-Institut und Max-Born-Institut), Dresden (Helmholtz-Zentrum), Uppsala (Schweden), St. Petersburg (Russland) und Sendai (Japan) hat nun die elementaren Schritte dieses Prozesses aufgedeckt. „Um das Atomgitter eines YIG-Films augenblicklich und ausschließlich zu erwärmen, verwenden wir eine sehr spezifische und neuartige Art von Anregung: ultrakurze Laserlichtblitze bei Terahertz-Frequenzen. Mit einem nachträglich eintreffenden sichtbaren Laserimpuls können wir dann Schritt für Schritt die Entwicklung der zunächst kalten magnetischen Spins nachvollziehen. Im Wesentlichen nehmen wir einen Stop-Motion-Film über die Entwicklung der Magnetisierung auf“, sagt Sebastian Maehrlein, der die Experimente am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft durchführte. Sein Kollege Ilie Radu fasst zusammen: „Unsere Beobachtungen sprechen eine klare Sprache. Wir fanden heraus, dass eine plötzliche Erwärmung des Atomgitters die magnetische Ordnung des Ferrimagneten auf zwei verschiedenen Zeitskalen reduziert: eine unglaublich schnelle Skala von nur 1 ps und eine 100.000-mal langsamere Skala von 100 ns.“

Diese beiden Zeitskalen können analog zu Wasser in einem geschlossenen Topf, der in einen heißen Ofen gestellt wird, verstanden werden. Die heiße Luft des Ofens entspricht dem heißen Atomgitter, während die magnetischen Spins dem Wasser im Topf entsprechen (siehe Abbidung A). Wird das Atomgitter durch den Terahertz-Laserblitz erwärmt, führen die verstärkten zufälligen Schwingungen der Atome zu einer Übertragung der magnetischen Ordnung von Spintyp 1 auf Spintyp 2. Daher werden die beiden magnetischen Momente M1 (blaue Pfeile in Abbildung B) und M2 (grüne Pfeile) um genau den gleichen Betrag reduziert (rote Pfeile). Dieser Prozess entwickelt sich auf der schnellen Zeitskala, und die atomaren Spins sind gezwungen, sich bei konstanter Gesamtmagnetisierung M1M2 aufzuheizen, genau wie Wasser in einem geschlossenen Topf, das sein Volumen halten muss.

Der aufgeheizte Ferrimagnet möchte aber nicht nur M1 und M2, sondern auch seine Gesamtmagnetisierung M1M2 verkleinern. Dazu muss ein Teil des Spins an das Atomgitter abgegeben werden. Diese Situation ist wiederum völlig analog zum heißen Wasser in einem geschlossenen Topf: Der Druck im Topf steigt an, wird aber durch kleine Lecks im Deckel langsam nach außen abgegeben (siehe Abbildung C). Diese Übertragung von Drehimpuls an das Atomgitter ist genau das, was im Ferrimagneten durch schwache Kopplungen zwischen den Spins und dem Gitter passiert.

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. „Unsere Ergebnisse sind auch für Anwendungen in der Datenspeicherung relevant“, ergänzt Sebastian Maehrlein. „Der Grund ist einfach. Wann immer wir den Wert eines Bits in einem magnetischen Speichermedium zwischen 0 und 1 umschalten wollen, müssen letztlich Drehimpuls und Energie zwischen Atomgitter und Spins übertragen werden.“

Pressekontakte:

Prof. Tobias Kampfrath, tobias.kampfrath@fu-berlin.de, +49 30 8413–5222; FHI PC Department Office: +49 30 8413–5112
Dr. Ilie Radu, radu@mbi-berlin.de, +49 30 6392 1357; Max Born Institute Berlin, Germany

Originalveröffentlichung:
S. F. Maehrlein, I. Radu, P. Maldonado, A. Paarmann, M. Gensch, A. M. Kalashnikova, R. V. Pisarev, M. Wolf, P. M. Oppeneer, J. Barker, T. Kampfrath, Dissecting spin-phonon equilibration in ferrimagnetic insulators by ultrafast lattice excitation. Sci. Adv. 4, eaar5164 (2018).

 

Tobi

Heizen eines Magneten, ohne seine Magnetisierung zu ändern. (A) Ein Ferrimagnet besteht aus zwei Spinsorten mit entgegengesetztem magnetischem Moment (grüne und blaue Pfeile). Im Experiment wird das Atomgitter des Ferrimagneten durch einen extrem kurzen Terahertz-Lichtblitz aufgeheizt. Die Situation is analog zum Erhitzen von Luft (=Atomgitter) in einem Ofen, der einen Topf mit Wasser (=Spins) enthält. (B) Wärme wird in die Spins übertragen und erniedrigt die Magnetisierung jeder Spinsorte um genau denselben Betrag. Dieser Prozess läuft ab, indem Spin (rote Pfeile) von der blauen in die grüne Spinsorte übertragen wird. Folglich heizt sich der Magnet auf, ohne seine Gesamtmagnetisierung zu ändern! In der Topf-Analogie wird die Wärme der Ofenluft ins Wasser innerhalb des Topfes übertragen. Die Wassermenge im Topf hat sich dabei nicht geändert; jedoch hat sich ein Überdruck aufgebaut. (C) Der Spin-Überdruck führt schließlich zur Übertragung von Spin-Drehimpuls ins Atomgitter. Dabei verkleinert sich die Magnetisierung des Ferrimagneten. In der Topf-Analogie baut sich der Wasser-Überdruck durch kleine Lecks im Topfdeckel ab


A comprehensive volume on chemical warfare entitled „One Hundred Years of Chemical Warfare: Research, Deployment, Consequences“ has been published under the auspices of the Max Planck Society

Wednesday, 6th December 2017Ausgewählte Publikationen, Diverses

ProductFlyer-9783319516639On April 22, 1915, the German military released 150 tons of chlorine gas at Ypres, Belgium. Carried by a long-awaited wind, the chlorine cloud passed within a few minutes through the British and French trenches, leaving behind at least 1,000 dead and 4,000 injured. This chemical attack, which amounted to the first use of a weapon of mass destruction, marks a turning point in world history. The preparation as well as the execution of the gas attack was orchestrated by Fritz Haber, the director of the Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Electrochemistry in Berlin-Dahlem. During World War I, Haber transformed his research institute into a center for the development of chemical weapons (and of the means of protection against them).

Bretislav Friedrich and Martin Wolf (Fritz Haber Institute of the Max Planck Society, the successor institution of Haber’s institute) together with Dieter Hoffmann, Jürgen Renn, and Florian Schmaltz (Max Planck Institute for the History of Science) organized an international symposium to commemorate the centenary of the infamous chemical attack. The symposium examined crucial facets of chemical warfare from the first research on and deployment of chemical weapons in WWI to the development and use of chemical warfare during the century hence. The focus was on scientific, ethical, legal, and political issues of chemical weapons research and deployment — including the issue of dual use — as well as the ongoing effort to control the possession of chemical weapons and to ultimately achieve their elimination.

The volume consists of papers presented at the symposium and supplemented by additional articles that together cover key aspects of chemical warfare from 22 April 1915 until the summer of 2015.

The book was presented at a symposium on November 30, 2017 to the delegates of the 22nd Conference of State Parties of the Chemical Weapons Convention at the Organization for the Prohibition of Chemical Weapons in The Hague. Introduced by Paul Walker (Green Cross) and presented and moderated by Bretislav Friedrich (FHI), the symposium entitled „One Hundred Years since Ypres and Counting: Glimpses of the Past and the Present“ explained the involvement of the Max Planck Society and provided a sampling of the book’s chapters by Edward Spiers (University of Leeds), Ulf Schmidt (University of Kent), Karin Mlodoch (Haukari), and Ralf Trapp (Chessenaz). Among the attendees were four survivors of the 1988 Halabja chemical attack.

Website: http://www.springer.com/de/book/9783319516639
eBook available at https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-51664-6


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)

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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