Das Forschungsteam der University of Science and Technology of China (USTC) erreichte dies durch eine ungewöhnliche Anordnung der Kohlenstoffatome. Während sie in Graphen ein Netz aus Sechsecken bilden, besteht das neue Material ausschließlich aus Fünf- und Siebenecken. Diese veränderte Struktur ermöglicht einen nahezu ungehinderten Elektronentransport über kurze Strecken. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachjournal Nature. Langfristig könnten solche Kohlenstoffbänder als extrem dünne elektrische Verbindungen in Computerchips zum Einsatz kommen.

Warum Kohlenstoff Strom leiten oder isolieren kann

Diamanten sind hart und elektrisch isolierend, während Graphit Strom leitet. Beide bestehen aus Kohlenstoff. Den Unterschied macht die Verbindung der Atome. Im Diamanten bilden sie ein dreidimensionales Netzwerk, im Graphit liegen sie in Schichten übereinander. Innerhalb dieser Schichten können sich Elektronen vergleichsweise leicht bewegen.

Die neu entwickelten Kohlenstoffbänder gehören zu einer Materialklasse namens Pentaheptit. Ihre Atome halten durch feste chemische Bindungen zusammen. Gleichzeitig besitzt eine der hergestellten Varianten Eigenschaften eines Metalls. Deshalb bezeichnen Fachleute solche Materialien als „kovalente Metalle“.

Bereits 1996 sagten Wissenschaftler theoretisch voraus, dass Kohlenstoff auch dann metallisch leitfähig sein könnte, wenn seine Atome ausschließlich Fünf- und Siebenecke bilden. Doch fast 30 Jahre lang gelang es nicht, solche Strukturen als schmale Nanobänder mit präzise angeordneten Atomen herzustellen und ihre metallischen Eigenschaften nachzuweisen. Das größte Hindernis waren die benötigten molekularen Bausteine: Sie reagierten so leicht mit anderen Stoffen, dass sich daraus kaum stabile Ketten aufbauen ließen.

Wie aus einzelnen Molekülen ein leitfähiges Kohlenstoffband entsteht

Das Team um die Professoren Bing Wang und Qitang Fan musste zunächst ein Problem lösen: Die ursprünglich vorgesehenen Moleküle mit verbundenen Fünfecken waren zu reaktionsfreudig. Sie eigneten sich deshalb kaum als stabile Ausgangsstoffe für die Herstellung längerer Atomketten.

Die Wissenschaftler entwickelten stattdessen ein Verfahren mit mehreren Heizschritten auf einer Silberoberfläche:

• Moleküle verbinden: Zunächst verknüpften sie stabile Ausgangsmoleküle mit achteckigen Kohlenstoffringen zu längeren Ketten.
• Atomringe verändern: Beim Erhitzen ordneten sich die Kohlenstoffatome um. Aus den achteckigen Strukturen entstanden miteinander verbundene Fünfecke.
• Ketten verschmelzen: Bei höheren Temperaturen verbanden sich benachbarte Ketten seitlich. Dabei entstanden die Siebenecke, die das fertige Nanoband vervollständigten.

Mit hochauflösenden Mikroskopen konnten die Wissenschaftler anschließend die einzelnen Kohlenstoffringe erkennen und ihre Anordnung überprüfen.

Kleine Unterschiede verändern die Leitfähigkeit erheblich

Bei der Herstellung entstanden zwei Varianten mit den Bezeichnungen CPHN1 und CPHN2. Ihre Atomketten unterscheiden sich in der Ausrichtung. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften: CPHN1 verhält sich wie ein Metall, CPHN2 dagegen wie ein Halbleiter.

Bei der zweiten Variante liegt eine sogenannte Bandlücke von etwa 0,22 Elektronenvolt vor. Sie beschreibt einen Energiebereich, in dem keine erlaubten elektronischen Zustände vorhanden sind. Deshalb fließt bei geringer Spannung deutlich weniger Strom. Obwohl beide Materialien aus denselben Atomen und Ringtypen bestehen, unterscheiden sie sich bei der Leitfähigkeit um etwa den Faktor 100.

Strommessung erreicht 90 Prozent des theoretischen Grenzwerts

Für die elektrischen Messungen verwendeten die Wissenschaftler ein Rastertunnelmikroskop. Dessen feine Spitze griff ein Ende des Kohlenstoffbands und hob es von der Silberoberfläche ab. Dadurch entstand zwischen Spitze und Untergrund eine winzige Stromverbindung. Die Messungen erfolgten bei niedrigen Temperaturen und zehn Millivolt Spannung.

Die Ergebnisse unterschieden sich erheblich:

• Metallisches Kohlenstoffband: CPHN1 erreichte einen Leitwert von bis zu 90 Prozent eines Leitwertquantums. Das ist die grundlegende Einheit für die Leitfähigkeit eines idealen elektronischen Transportkanals.
• Kaum Veränderung beim Anheben: Über rund vier Nanometer blieb der gemessene Leitwert nahezu konstant. Die Elektronen wurden auf dieser kurzen Strecke offenbar nur wenig gestreut.
• Deutlich schlechterer Halbleiter: CPHN2 leitete rund 100-mal schwächer. Bei niedrigen Spannungen war der Stromfluss stark eingeschränkt.

Den nahezu ungehinderten Transport über die untersuchte Strecke bezeichnen Physiker als ballistischen Elektronentransport. Dabei bewegen sich Elektronen durch den Leiter, ohne unterwegs häufig gestreut zu werden.

Zusätzliche Messungen erklären die Unterschiede

Um die elektronischen Eigenschaften genauer zu untersuchen, trennten die Wissenschaftler die Kohlenstoffbänder durch eine Bromschicht weitgehend von der Silberoberfläche. Anschließend analysierten sie die Interferenzmuster der Elektronen. Aus diesen Mustern lässt sich ableiten, welche Energien die Elektronen im Material besitzen.

Bei CPHN1 fanden sie elektronische Zustände am sogenannten Fermi-Niveau. Das entspricht dem Verhalten eines Metalls. Bei CPHN2 bestätigte sich dagegen die kleine Bandlücke. Die unterschiedlichen Leitfähigkeiten lassen sich damit auf die Anordnung der Kohlenstoffatome zurückführen.

Für den Einsatz in Computerchips sind allerdings weitere Entwicklungen nötig. Die bisherigen Ergebnisse stammen aus Messungen an einzelnen Nanobändern unter speziellen Laborbedingungen. Ob sich solche Kohlenstoffleiter in großer Zahl herstellen und dauerhaft in elektronische Bauteile integrieren lassen, ist bislang offen.

Kurz zusammengefasst:

• Chinesische Wissenschaftler haben ein nur 0,9 Nanometer breites Kohlenstoffband hergestellt, das Strom wie ein Metall leitet und damit eine Vorhersage aus dem Jahr 1996 bestätigt.
• Entscheidend ist die Anordnung der Kohlenstoffatome: Bereits kleine Unterschiede im Aufbau können bestimmen, ob ein Material Strom gut leitet oder sich wie ein Halbleiter verhält.
• Die Elektronen bewegen sich über kurze Strecken nahezu ungehindert durch das neue Material, das künftig als extrem dünne elektrische Verbindung in Computerchips dienen könnte.

Übrigens: Auch Wissenschaftler der Universität Augsburg erforschen, wie sich elektrischer Strom auf molekularer Ebene steuern lässt. Ein neu entwickelter Molekularmotor steigert den Stromfluss um das Hundertfache. Als Vorbild diente eine mehr als 2.000 Jahre alte Erfindung: die archimedische Schraube.

Bild: © Unsplash

An der Entwicklung waren Wissenschaftler der Universität Augsburg beteiligt. Mit quantenmechanischen Computersimulationen fanden sie heraus, warum der Stromfluss im Molekularmotor so stark ansteigt: Während der Drehung erreicht das Molekül Positionen, in denen Elektronen besonders leicht hindurchfließen können. Die Ergebnisse veröffentlichte das internationale Forschungsteam in der Fachzeitschrift Nature.

Helicen-Molekül funktioniert wie eine winzige Schraube

Für den Motor nutzten die Wissenschaftler ein sogenanntes Helicen-Molekül. Seine Atome bilden eine spiralförmige Struktur, vergleichbar mit dem Gewinde einer Schraube. Das Team um Michael Pittelkow von der Universität Kopenhagen stellte die Verbindung eigens für das Experiment her. Über Schwefelatome an den Enden lässt sich das Molekül an Goldoberflächen befestigen.

Am Weizmann Institute of Science in Israel spannten Oren Tal und Anil Kumar Singh einzelne dieser Moleküle zwischen zwei extrem feine Goldspitzen. Anschließend legten sie eine elektrische Spannung an. Die fließenden Elektronen übertrugen Drehimpuls auf die Molekülstruktur und versetzten sie in Bewegung. Anders als bei einem gewöhnlichen Elektromotor benötigte der winzige Antrieb dafür keine zusätzlichen mechanischen Bauteile.

Molekularmotor lässt sich gezielt in beide Richtungen drehen

Besonders ungewöhnlich war die Kontrolle über die Bewegung. Das Molekül drehte sich mit einer Richtungspräferenz von 100 Prozent. Durch Umpolen der Spannung konnten die Physiker die bevorzugte Drehrichtung umkehren. Die Molekülstruktur bestimmte dabei, in welche Richtung der elektrische Strom die Drehung antrieb.

Auch mechanisch ließ sich die Maschine beeinflussen. Die Wissenschaftler veränderten den Abstand der beiden Goldkontakte und streckten oder stauchten dadurch das Molekül. Dabei verschob sich die elektrische Spannung, ab der seine Leitfähigkeit deutlich zunahm.

Für das Verhalten der molekularen Schraube waren damit drei Eigenschaften entscheidend:

• Spannung: Der elektrische Strom erzeugt die Kräfte, die das Molekül in Drehung versetzen.
• Polarität: Die Richtung der angelegten Spannung bestimmt die bevorzugte Drehrichtung.
• Abstand der Goldkontakte: Durch Strecken oder Stauchen verändert sich die Spannungsschwelle für den starken Stromanstieg.

Augsburger Physiker berechnen die Bewegung einzelner Atome

An der Universität Augsburg untersuchten Fabian Pauly und seine Doktoranden León Martin und Yuta Ito das Verhalten des Motors mit quantenmechanischen Computersimulationen. Dafür nutzten sie den Hochleistungsrechner LiCCA. Die Berechnungen berücksichtigten, wie sich die räumliche Anordnung des Moleküls auf den Transport der Elektronen auswirkt.

Dabei erwiesen sich ausgerechnet jene Positionen als besonders leitfähig, die das Molekül ohne Drehbewegung kaum einnimmt. „Das Überraschende ist: Gerade die Stellungen, die das Molekül in Ruhe meidet, leiten den Strom am besten. Erst die Drehung macht diese Positionen zugänglich“, erklärt Martin.

Die Forscher konnten außerdem berechnen, wie sich die Bewegung mit zunehmender Spannung verändert. Bei niedrigeren Spannungen erfolgt die Rotation schrittweise. Wird eine bestimmte Schwelle überschritten, geht sie dem theoretischen Modell zufolge in eine kontinuierliche Drehung über. Das Molekül durchläuft dann fortlaufend unterschiedliche räumliche Anordnungen und erreicht dabei auch die besonders gut leitenden Positionen.

Computerberechnungen erklären den starken Stromanstieg

Gemeinsam mit Per Hedegård vom Niels-Bohr-Institut in Kopenhagen und Jing-Tao Lü von der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan entwickelten die Augsburger Physiker ein vereinfachtes theoretisches Modell. Es konnte sowohl die beobachtete zyklische Bewegung als auch den Anstieg des elektrischen Stroms reproduzieren.

„Im Experiment sieht man nur den Strom. Unsere Rechnungen erlauben einen Blick auf das, was dabei im Inneren des Nanokontakts geschieht“, erklärt Yuta Ito. Die Kombination aus elektrischen Messungen und quantenmechanischen Berechnungen machte es möglich, die Bewegung des einzelnen Moleküls mit seinen elektrischen Eigenschaften zu verknüpfen.

Elektrisch angetriebene molekulare Motoren sind bereits seit 2011 bekannt. Allerdings benötigten bisherige Konstruktionen eine Oberfläche und die Spitze eines Rastertunnelmikroskops, um die Moleküle anzutreiben. Der neue Motor arbeitet dagegen zwischen zwei fest verbundenen Metallelektroden. Er verbindet eine kontrollierte Drehrichtung mit einer stark veränderlichen elektrischen Leitfähigkeit.

Molekulare Motoren könnten neue Schalter ermöglichen

Für die Elektronik eröffnen sich dadurch Möglichkeiten, elektrische Ströme mithilfe mechanischer Bewegungen auf molekularer Ebene zu steuern. Solche Strukturen könnten künftig als winzige Schalter oder Bauelemente dienen, deren Leitfähigkeit sich durch Spannung und Molekülbewegung verändert.

Weitere mögliche Anwendungen liegen in der Spintronik und der Mikrofluidik:

• In der Spintronik nutzen elektronische Bauteile neben der elektrischen Ladung auch den Eigendrehimpuls von Elektronen.
• In der Mikrofluidik geht es darum, kleinste Flüssigkeitsmengen gezielt zu transportieren oder zu beeinflussen.

Bislang handelt es sich um einen experimentellen Prototyp. Für einen praktischen Einsatz müssten solche molekularen Maschinen zuverlässig und unter geeigneten technischen Bedingungen funktionieren. Noch ist offen, wie sich die Konstruktion in größere elektronische Schaltungen integrieren lässt.

Kurz zusammengefasst:

• Ein internationaler Forscherverbund hat einen Molekularmotor entwickelt, der nach dem Prinzip der 2000 Jahre alten archimedischen Schraube funktioniert und durch elektrischen Strom angetrieben wird.
• Während sich das Molekül dreht, kann bis zu 100-mal mehr Strom hindurchfließen; durch Umpolen der Spannung lässt sich die Drehrichtung umkehren.
• Physiker der Universität Augsburg erklärten den Effekt: Die Rotation bringt das Molekül in besonders leitfähige Positionen und könnte künftig neuartige elektronische Schalter ermöglichen.

Übrigens: Auch der Rüssel eines Schmetterlings dient Wissenschaftlern als Vorbild für winzige Maschinen. Forscher haben daraus einen magnetisch steuerbaren Antrieb entwickelt, der mehr als das 30-Fache seines Eigengewichts bewegen kann. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels

Entwickelt hat ihn ein Team um den Chemiker Zhiwei Liu vom Lackhersteller NIPSEA Group in Shanghai. Die Forscher berichten in Matter & Light über eine Mischung aus Rußpigmenten und Kohlenstoffnanoröhren. Der wasserbasierte Lack lässt sich aufsprühen und bestand erste Prüfungen für den Einsatz auf Fahrzeugen.

Ultra-Black-Lack schluckt Reflexionen fast vollständig

Gewöhnlicher schwarzer Autolack enthält meist fein verteilten Industrieruß. Das Material absorbiert bereits etwa 99,8 Prozent des auftreffenden Lichts. Eine noch tiefere Schwärze lässt sich mit mehr Ruß allein kaum erreichen. Die winzigen Pigmente verklumpen leicht und verlieren dadurch einen Teil ihrer Wirkung.

Das Team ergänzte den Ruß deshalb mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind nur 10 bis 30 Nanometer dick. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist mehrere Tausend Mal breiter. Beim Mahlen lagern sich die Rußteilchen entlang der Nanoröhren an. Unter dem Mikroskop erinnert die Anordnung an Punkte, die durch feine Linien verbunden sind.

Winzige Lichtfallen verdunkeln den Lack zusätzlich

In der getrockneten Beschichtung entstehen Erhebungen und Vertiefungen mit einer Breite von etwa zwei bis acht Mikrometern. Einfallendes Licht trifft dort mehrfach auf Ruß und Nanoröhren. Es wird gestreut, erneut reflektiert und schließlich größtenteils absorbiert.

Die durchschnittliche Reflexion lag im sichtbaren Wellenlängenbereich bei rund 0,08 Prozent. Bei einzelnen Messwinkeln sank sie bis auf etwa 0,05 Prozent. Damit nähert sich der Lack extrem dunklen Materialien wie Vantablack oder senkrecht angeordneten Kohlenstoffnanoröhren an. Diese erreichen Werte von etwa 0,04 bis 0,05 Prozent.

„Tiefschwarze Oberflächen gelten wegen ihres eleganten Erscheinungsbildes, ihrer starken optischen Wirkung und ihrer luxuriösen Anmutung seit Langem als Premiumwahl für Luxusautos“, sagt Liu. In China habe sich die Farbe eines Fahrzeugs zu einem wichtigen Verkaufsargument entwickelt.

Lack lässt sich mit üblicher Technik aufsprühen

Extrem schwarze Beschichtungen gab es bereits vor dem neuen Verfahren. BMW präsentierte 2019 ein Konzeptfahrzeug mit einer Hülle aus senkrecht angeordneten Kohlenstoffnanoröhren. Die Oberfläche schluckte fast alles Licht. Für eine normale Lackieranlage eignet sich ein solcher Aufbau jedoch kaum.

Die neue Mischung entstand in einer industriell gebräuchlichen Sandmühle. Das Team verarbeitete 140 Gramm Ruß, 60 Gramm Kohlenstoffnanoröhren, Wasser sowie Dispergier- und Entschäumungsmittel. Nach fünf Stunden entstand eine gleichmäßige schwarze Flüssigkeit. Anschließend mischten die Forscher sie mit einem Bindemittel und trugen sie mit einem Rotationszerstäuber auf Metallplatten und ein Automodell auf.

Der schwarze Basislack war etwa 20 Mikrometer dick. Darüber lag eine rund 40 Mikrometer starke Klarlackschicht. Solche mehrschichtigen Systeme gehören zum üblichen Aufbau moderner Autolackierungen. Der Klarlack sorgt unter anderem für Glanz und schützt die darunterliegende Farbe.

Feuchtigkeit löst die Beschichtung nicht ab

Für einen möglichen Einsatz in der Autoindustrie reicht eine spektakuläre Farbe allein nicht aus. Lack muss fest haften und Regen, Feuchtigkeit oder Temperaturschwankungen aushalten. Zwei beschichtete Metallplatten kamen deshalb in Belastungstests.

Eine Probe lagerte 14 Tage lang bei 40 Grad Celsius und 95 Prozent Luftfeuchtigkeit. Eine zweite lag zehn Tage in 40 Grad warmem Wasser. Danach ritzten die Forscher ein Gitter in die Oberfläche und klebten ein Prüfband darauf. Beim Abziehen lösten sich keine Lackstücke.

Auch die flüssige Pigmentmischung blieb stabil. Ein beschleunigter Zentrifugentest simulierte nach Angaben des Teams eine Lagerzeit von rund zwei Jahren bei Raumtemperatur. Der gemessene Instabilitätswert betrug 0,027. Ein niedriger Wert spricht für eine geringe Neigung der Partikel, sich abzusetzen.

Serienreife muss sich erst noch beweisen

Der Lack ist trotzdem noch nicht bereit für normale Serienfahrzeuge. Die Untersuchung umfasste keine vollständige Prüfung gegen Kratzer, Steinschlag, UV-Strahlung, Korrosion oder jahrelange Witterung. Auch Waschanlagen, Frost und Reparaturen nach Unfällen blieben unberücksichtigt.

Hinzu kommt ein Problem bei der Herstellung: Je höher der Anteil der Nanoröhren ausfällt, desto dickflüssiger wird die Mischung. Bereits ein vergleichsweise kleiner Zusatz ließ ihre Viskosität stark steigen. Eine noch dunklere Rezeptur wäre deshalb schwieriger zu mahlen, zu transportieren und gleichmäßig zu versprühen.

„Mit der schnellen Entwicklung der Dispergiertechnik und der Anlagen gibt es bei der praktischen Verarbeitung nanoröhrenhaltiger Materialien noch Raum für Verbesserungen“, sagt Liu. Künftige Versuche sollen die Verarbeitungsgrenzen und weitere Eigenschaften der Lackschicht prüfen.

Kurz zusammengefasst:

• Ein Ultra-Black-Lack schluckt mehr als 99,9 Prozent des sichtbaren Lichts und lässt Karosserien fast konturlos wirken.
• Ruß und Kohlenstoffnanoröhren bilden im Lack winzige Lichtfallen, die Reflexionen stark reduzieren.
• Erste Haftungs- und Feuchtigkeitstests verliefen erfolgreich, für Serienautos fehlen jedoch noch wichtige Langzeitprüfungen.

Übrigens: Während der Ultra-Black-Lack Autos wie schwarze Löcher wirken lässt, hat James-Webb ein echtes Exemplar aus dem jungen Universum vermessen – sechs Milliarden Sonnen schwer und fast unsichtbar. Warum der ruhende Koloss trotzdem auffiel und was er über das Ende der Sternentstehung verrät, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels

Forscher der University of Cambridge haben nun einen Mechanismus entdeckt, der diesen Prozess deutlich beschleunigen könnte. Ihre Ergebnisse zeigen: Elektronen können sich in bestimmten Materialien viel schneller bewegen als bisher angenommen. Das könnte langfristig zu effizienteren Solarzellen führen.

Elektronen bewegen sich im Takt der Atome

Im Experiment wechselte ein Elektron in nur 18 Femtosekunden von einem Molekül zum nächsten. Das entspricht 18 Billiardstel Sekunden. Diese Zeitspanne ist so kurz, dass sie kaum vorstellbar ist.

Zum Vergleich: In einer einzigen Sekunde vergehen etwa achtmal mehr Femtosekunden, als Stunden seit Beginn des Universums vergangen sind. Auf dieser extrem kurzen Zeitskala schwingen Atome in Molekülen ständig.

Die Forscher beobachteten, dass sich Elektronen fast im gleichen Rhythmus bewegen wie diese atomaren Schwingungen. „Wir beobachten Elektronen im selben Takt wie die Atome selbst“, beschreibt Studienautor Dr. Pratyush Ghosh vom St John’s College in Cambridge den Effekt.

Forscher bauten bewusst ein „schlechtes“ Materialsystem

Nach bisherigen Lehrbüchern der Solarphysik braucht schneller Ladungstransfer deutliche Energieunterschiede zwischen zwei Materialien. Diese Unterschiede beschleunigen den Elektronentransfer, können aber gleichzeitig den Wirkungsgrad senken.

Das Cambridge-Team entschied sich deshalb für ein System, das nach diesen Regeln eigentlich langsam hätte sein müssen. Der Energieunterschied zwischen den Materialien lag unter 100 Millielektronenvolt, zudem war die elektronische Kopplung bewusst schwach.

„Nach den üblichen Designregeln hätte dieses System langsam sein müssen – genau das macht das Ergebnis so überraschend“, sagt Ghosh.

Doch das Gegenteil trat ein. Das Elektron überquerte die Grenzfläche in nur 18 Femtosekunden. In vielen organischen Materialien dauert dieser Prozess normalerweise 100 bis 250 Femtosekunden.

Molekülschwingungen treiben Elektronen aktiv an

Ultraschnelle Laserexperimente zeigten den Grund für diesen Effekt. Sobald das Polymer Licht absorbiert, beginnen bestimmte Teile des Moleküls in hochfrequenten Mustern zu schwingen.

Diese Schwingungen treiben den Elektronentransfer aktiv an. Das Elektron bewegt sich nicht zufällig durch das Material, sondern gerichtet und sehr schnell.

Ghosh beschreibt den Mechanismus so: „Die Schwingung wirkt wie ein molekulares Katapult. Sie begleitet den Prozess nicht nur, sie treibt ihn an.“

Sobald das Elektron das zweite Molekül erreicht, löst es dort eine neue, koordinierte Schwingung aus. Solche Signale gelten in der Forschung als deutlicher Hinweis auf extrem schnellen Ladungstransfer.

Warum dieser Prozess für Solarzellen so wichtig ist

Trifft Licht auf ein organisches Solarmaterial, entsteht zunächst ein gebundenes Teilchenpaar: ein Elektron und ein sogenanntes Loch. Physiker nennen dieses Paar Exziton.

Damit Strom entstehen kann, müssen sich beide Ladungen schnell voneinander trennen. Je schneller das gelingt, desto weniger Energie geht verloren.

Bisher galt eine einfache Regel: Schneller Ladungstransfer erfordert große Energieunterschiede zwischen den Materialien – und damit auch höhere Verluste.

Die neue Studie stellt diese Annahme infrage. Die Forscher schreiben, dass ultraschneller Ladungstransfer auch ohne große Energieunterschiede möglich ist. Entscheidend sei, wie stark und in welchem Muster Moleküle schwingen.

Neue Designregeln für effizientere Solarzellen

Die Ergebnisse geben Impulse bei der Entwicklung besserer Solarmaterialien. Statt große Energieunterschiede zu erzwingen, könnten Entwickler gezielt Molekülschwingungen nutzen.

Professor Akshay Rao vom Cavendish Laboratory der University of Cambridge erklärt: „Anstatt molekulare Bewegung zu unterdrücken, können wir Materialien so entwerfen, dass sie sie nutzen – wir machen Schwingungen vom Hindernis zum Werkzeug.“

Das Prinzip ist nicht nur für Solarzellen relevant. Ähnliche Prozesse spielen auch bei Photodetektoren, bei der Herstellung von Wasserstoff mit Sonnenlicht und sogar in der natürlichen Photosynthese eine Rolle.

Die Geschwindigkeit der Ladungstrennung hängt also nicht allein von statischen Energieunterschieden ab. Entscheidend ist auch, wie Moleküle schwingen und wie sie räumlich angeordnet sind.

Kurz zusammengefasst:

• Elektronen können sich in bestimmten organischen Solarmaterialien in nur 18 Femtosekunden trennen – obwohl der Energieunterschied unter 100 Millielektronenvolt liegt und die Kopplung schwach ist.
• Hochfrequente Molekülschwingungen mit Perioden von etwa 22 bis 26 Femtosekunden treiben diesen Ladungstransfer aktiv und gerichtet an, statt ihn dem Zufall zu überlassen.
• Weil dieser ultraschnelle Prozess ohne große Energieverluste funktioniert, eröffnen sich neue physikalische Möglichkeiten für effizientere Solarzellen.

Übrigens: Während Forscher Molekülschwingungen nutzen, um Solarzellen effizienter zu machen, arbeiten andere Teams daran, Sonnenenergie chemisch zu speichern und erst Tage später in Wasserstoff umzuwandeln. Ein neues Polymer trennt Lichtaufnahme und H₂-Produktion zeitlich und könnte so Industrieprozesse unabhängiger von Wetter und Stromschwankungen machen. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels

Deshalb suchen Ingenieure seit Jahren nach Materialien, die bei Wärme möglichst stabil bleiben. Eine aktuelle Studie der Tokyo Metropolitan University beschreibt nun einen Stoff, der sich anders verhält als fast alles, was man kennt. Eine Verbindung aus Kobalt, Zirkonium und Wasserstoff schrumpft beim Erwärmen in eine Richtung. Für empfindliche Technik könnte das später einmal sehr nützlich werden.

Materialien ohne Wärmeausdehnung halten Technik stabil

In vielen Geräten zählt jedes winzige Maß: In Mikrochips liegen Bauteile extrem dicht beieinander, in Kameras, Teleskopen oder Messgeräten müssen Linsen, Spiegel und Sensoren exakt sitzen. Schon kleinste Verschiebungen können reichen, damit ein Gerät ungenauer arbeitet.

Deshalb sind Materialien ohne Wärmeausdehnung für die Technik so interessant. Gemeint sind Stoffe, die bei Temperaturwechseln ihre Form möglichst gut halten. Besonders hilfreich wäre ein Material, das einen Teil der Wärmedehnung sogar ausgleicht. In diese Richtung geht die neue Forschungsarbeit.

Die Wissenschaftler untersuchten eine Verbindung mit dem Namen CoZr₂H₃,₄₉. Hinter der Formel steckt ein Material aus Kobalt, Zirkonium und Wasserstoff. Entscheidend ist dabei nicht nur, woraus der Stoff besteht, sondern wie sich seine Atome im Inneren anordnen. Dort passiert beim Erwärmen etwas Ungewöhnliches.

Unter minus 134 Grad beginnt die Schrumpfung

Der besondere Effekt zeigt sich erst bei sehr tiefen Temperaturen. Die wichtige Grenze liegt bei 139 Kelvin. Das sind rund minus 134 Grad Celsius. Unterhalb dieses Werts verändert sich der magnetische Zustand des Materials und seine Form ändert sich.

Dabei schrumpft der Stoff nicht insgesamt wie ein zusammenfallender Ball. Er zieht sich nur in eine Richtung zusammen. In einer anderen Richtung dehnt er sich weiter normal aus. Das ist wichtig, weil sich dadurch Spannungen im Material gezielt ausgleichen könnten.

Die Messwerte zeigen diesen Effekt deutlich. Entlang einer Kristallrichtung liegt der Ausdehnungskoeffizient bei minus 9,5 Mikrometer pro Meter und Kelvin. Entlang einer anderen Richtung beträgt er plus 7,68. Das bedeutet: Das Material reagiert auf Wärme nicht überall gleich. Das macht es für Präzisionstechnik interessant.

Wasserstoff kippt das Verhalten des Materials

Besonders spannend ist der Vergleich mit dem Ausgangsmaterial ohne Wasserstoff. Reines CoZr₂ zeigt bei extrem niedrigen Temperaturen Supraleitung. Das bedeutet vereinfacht, dass elektrischer Strom dann ohne Widerstand fließen kann. Baut man jedoch Wasserstoff in das Material ein, verschwindet diese Eigenschaft.

Stattdessen wird der Stoff ferromagnetisch. Vereinfacht gesagt richten sich die magnetischen Bereiche im Material dann geordnet aus. Genau diese Umordnung hängt mit der ungewöhnlichen Schrumpfung zusammen. Der Wasserstoff wirkt also wie ein Eingriff, der das Verhalten des Materials grundlegend verändert.

Die Forscher beschreiben das in ihrer Arbeit so: „Wir entdeckten ein einzigartiges uniaxiales negatives Ausdehnungsverhalten in der schwach-itinerant-ferromagnetischen Phase von CoZr₂H₃,₄₉.“ Übersetzt: Das Material schrumpft beim Erwärmen in einer Richtung, und dieser Effekt hängt direkt mit seinem magnetischen Zustand zusammen.

Nicht Schwingungen, sondern Magnetismus wirkt hier

Viele Stoffe verändern ihre Größe durch das Zittern ihrer Atome. Wird ein Material wärmer, bewegen sich diese stärker, und der Stoff dehnt sich aus. Auch bei manchen Stoffen mit negativer Wärmeausdehnung spielt so ein atomarer Mechanismus eine Rolle. Bei CoZr₂H₃,₄₉ läuft es aber anders.

Hier hängt der Effekt laut Studie nicht vor allem an solchen Schwingungen, sondern an einer magnetischen Umordnung im Inneren des Materials. Das ist wichtig, weil damit ein anderer Weg sichtbar wird, wie man Wärmedehnung beeinflussen kann. Es geht also nicht nur darum, neue Stoffe zu finden. Es geht auch darum, neue physikalische Tricks zu verstehen.

Wasserstoff verändert die elektronische Struktur des Materials. Dadurch ändert sich, wie stark bestimmte Atome im Gitter miteinander verbunden sind. Das wiederum beeinflusst den Magnetismus – und am Ende auch die Länge des Materials in einer bestimmten Richtung. Kompliziert im Detail, aber die Grundidee ist klar: Magnetismus kann hier mitentscheiden, ob ein Stoff bei Wärme wächst oder schrumpft.

Wasserstoff dient als Stellschraube

Ein weiterer interessanter Punkt ist die Menge des eingebauten Wasserstoffs. Die Forscher konnten zeigen, dass dieser Anteil nicht feststehen muss. Er lässt sich verändern. Und damit ändert sich auch das Verhalten des Materials.

Das ist für die Forschung besonders wertvoll. Denn so entsteht nicht nur ein einzelner ungewöhnlicher Stoff, sondern ein ganzes System, das sich abstimmen lässt. Wer den Wasserstoffgehalt ändert, beeinflusst den Magnetismus, die innere Struktur und das Wärmeverhalten zugleich.

Für den Alltag ist das Material trotzdem noch keine Lösung. Der Effekt tritt bei sehr tiefen Temperaturen auf. Brücken, Häuser, Autos oder Smartphones arbeiten in einem ganz anderen Bereich. Als direkter Baustoff oder Alltagswerkstoff taugt der Stoff deshalb noch nicht.

Was die Entdeckung trotzdem so wichtig macht

Trotzdem ist die Studie mehr als ein reines Laborexperiment. Sie zeigt einen neuen Weg, wie sich Wärmedehnung künftig steuern lässt. Das ist vor allem für Bereiche interessant, in denen höchste Genauigkeit zählt. Dazu gehören etwa Raumfahrt, Messtechnik, Präzisionsoptik oder spezielle Sensoren.

Langfristig könnten Entwickler Materialien kombinieren, die sich bei Wärme gegenseitig ausgleichen. Ein Stoff dehnt sich aus, ein anderer schrumpft leicht. Zusammen bleiben die Bauteile dann stabiler.

Kurz zusammengefasst:

• Materialien werden bei Wärme normalerweise größer. Ein neues Material verhält sich anders und schrumpft unter minus 134 Grad in eine Richtung.
• Es zieht sich also nicht überall zusammen, sondern nur entlang einer bestimmten Achse. In einer anderen Richtung dehnt es sich weiter normal aus.
• Solche Materialien könnten später helfen, empfindliche Technik genauer und stabiler zu machen, etwa in Sensoren, Teleskopen oder Mikrochips.

Übrigens: Während Materialien ohne Wärmeausdehnung Präzision sichern sollen, kämpft die digitale Welt mit einem ganz anderen Hitzeproblem – riesige KI-Rechenzentren stoßen an Strom-, Wasser- und Flächengrenzen. Eine neue Idee verlagert Server direkt aufs Meer und nutzt Windkraft sowie Ozeanwasser zur Kühlung. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Unsplash

Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben nun erstmals künstliche Zilien aus einem weichen Hydrogel entwickelt, die diese komplexen Bewegungen nahezu naturgetreu nachahmen. Die mikroskopisch kleinen Härchen lassen sich einzeln steuern, schlagen mit ähnlicher Frequenz wie ihre biologischen Vorbilder und arbeiten sogar in Blutserum zuverlässig. Möglich wird das mit extrem niedriger elektrischer Spannung, die auch in biologischen Umgebungen als sicher gilt. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature.

Warum Zilien für den Körper unverzichtbar sind

Die Funktion von Flimmerhärchen ist in der Biologie seit Langem bekannt. Technisch ließ sich ihre feine, dreidimensionale Bewegung jedoch kaum realistisch nachbilden. Frühere künstliche Systeme arbeiteten meist zu langsam, benötigten hohe Spannungen oder konnten nur einfache Bewegungen ausführen. Die neuen künstlichen Zilien lösen dieses Problem.

Die Roboter-Härchen bestehen aus einem extrem weichen Hydrogel. Jedes einzelne misst nur wenige Mikrometer im Durchmesser und ist bis zu 90 Mikrometer hoch. Damit liegen sie im gleichen Größenbereich wie ihre natürlichen Vorbilder. Der entscheidende Unterschied steckt im Inneren des Materials. Das Gel besitzt winzige Poren im Nanometerbereich, durch die sich Ionen sehr schnell bewegen können.

Wird eine elektrische Spannung angelegt, wandern diese Ionen gezielt durch das Material. Sie ziehen Wasser mit oder drücken es heraus. Dadurch biegt oder dreht sich das Härchen kontrolliert. Schon eine Spannung von 1,5 Volt reicht aus. Dieser Wert liegt unterhalb der Schwelle, bei der Wasser chemisch zerfällt. Das System bleibt stabil und gilt als sicher, auch für Anwendungen in wässriger oder biologischer Umgebung.

Die Bewegung beginnt innerhalb von Millisekunden. Die künstlichen Zilien schlagen mit bis zu 40 Bewegungen pro Sekunde. Das entspricht genau dem Bereich, den auch natürliche Zilien im menschlichen Körper erreichen.

„Im kleinen Maßstab hat sich die Verwendung elektrischer Signale zur Steuerung der Ionenbewegung als äußerst effektiv erwiesen“, sagt Erstautor Zemin Liu. Das Prinzip orientiert sich an Vorgängen im Körper, denn auch Muskeln bewegen sich, weil elektrische Signale Ionen verschieben.

Belastbar und erstaunlich langlebig

Neben der Geschwindigkeit überzeugt die Haltbarkeit. In Tests bewegten sich die künstlichen Zilien mehr als 330.000 Mal hintereinander. Danach lag die Leistung noch bei rund 70 Prozent des Anfangswerts. Diese Belastung entspricht etwa einem Tag ununterbrochener Bewegung natürlicher Zilien. Der Verschleiß bleibt gering, weil keine chemischen Reaktionen ablaufen, sondern rein physikalische Prozesse im Inneren des Gels.

„Dank der nanometergroßen Poren reagieren unsere künstlichen Zilien extrem schnell“, erklärt Studienautor Wenqi Hu. Gleichzeitig bleibt das Material formstabil. Grenzen setzt derzeit eher die feine Elektronik, die die Spannungen steuert, als das Hydrogel selbst.

Präzise Steuerung auf engstem Raum

Jedes Härchen lässt sich einzeln ansprechen. Arrays aus Hunderten oder sogar Tausenden künstlicher Zilien können synchron oder gegeneinander arbeiten. Möglich wird das durch winzige Elektroden, die direkt in flexible Trägermaterialien integriert sind.

Diese präzise Steuerung hilft nicht nur der Technik. Sie erlaubt es auch, biologische Abläufe besser zu verstehen. Natürliche Zilien ließen sich bislang nur beobachten. Mit den künstlichen Pendants können Bewegungen gezielt verändert und ihre Wirkung systematisch untersucht werden.

Künstliche Zilien bewegen gezielt Flüssigkeiten

Besonders anschaulich wird die Technik im Kontakt mit Flüssigkeiten. Die Härchen lassen sich einzeln oder in Gruppen ansteuern. Je nach Abfolge der elektrischen Signale entstehen gerichtete Strömungen, Wirbel oder rotierende Muster. In Versuchen bewegten sich winzige Partikel mit Geschwindigkeiten von etwa 50 bis 250 Mikrometern pro Sekunde.

Getestet wurde das System nicht nur in Wasser, sondern auch in Kochsalzlösung sowie in biologischen Flüssigkeiten wie menschlichem Speichel, Serum oder Mausplasma. In komplexeren Flüssigkeiten nahm die Leistung zwar ab, die Bewegung blieb jedoch kontrollierbar. Das gilt als wichtiger Schritt in Richtung medizinischer Anwendungen.

Wo die Roboterhärchen eingesetzt werden können

In der Medizin könnten solche Systeme beschädigte Zilien unterstützen oder ersetzen. Denkbar sind Hilfen bei chronischen Atemwegserkrankungen oder Störungen des Flüssigkeitstransports im Gehirn. Auch für die Fruchtbarkeitsmedizin ergeben sich neue Ansätze.

In der Technik liefern die künstlichen Zilien Bausteine für Mikroroboter. Sie könnten Flüssigkeiten mischen, Wirkstoffe transportieren oder als Antrieb für winzige Maschinen dienen. Studienleiter Metin Sitti beschreibt den Fortschritt so: „Wir haben jetzt erstmals eine Roboterplattform, mit der wir Zilien in Aktion untersuchen können – wie sie sich bewegen, zusammenarbeiten und Flüssigkeiten transportieren.“

Kurz zusammengefasst:

• Zilien sind für viele Körperfunktionen unverzichtbar, etwa für die Reinigung der Atemwege, die Entwicklung des Gehirns und den Transport von Flüssigkeiten; fallen sie aus, drohen ernsthafte gesundheitliche Probleme.
• Künstliche Zilien aus einem weichen Hydrogel können diese Bewegungen heute fast naturgetreu nachahmen, reagieren auf sehr geringe elektrische Spannungen, schlagen bis zu 40-mal pro Sekunde und bleiben auch nach Hunderttausenden Bewegungen funktionsfähig.
• Die Technik eröffnet konkrete Perspektiven für Medizin und Mikrorobotik, etwa zur Unterstützung geschädigter Zilien, zur gezielten Bewegung von Flüssigkeiten im Körper oder als Antrieb für winzige medizinische Geräte.

Übrigens: Jahrzehntelang scheiterte die Robotik daran, Maschinen unter einem Millimeter wirklich selbstständig zu machen – genau dort, wo Reibung, Zähflüssigkeit und fehlender Platz jede klassische Technik ausbremsen. Wie Forscher diese Grenze nun verschoben haben und warum Bewegung im Mikromaßstab völlig neu gedacht werden muss, mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © MPI

Wie sich diese Technik sparsamer gestalten lässt, gehört zu den zentralen Zukunftsfragen der Digitalisierung. Ein Forschungsteam der University of Houston ist der Lösung dieses Problems ein großes Stück nähergekommen. Ein neu entwickeltes Material soll Computerchips beschleunigen und gleichzeitig den Energiebedarf deutlich senken – für eine energieeffiziente KI, die mit weniger Strom auskommt und trotzdem hohe Rechenleistung bietet.

COF-Filme ebnen den Weg zu energieeffizienter KI

Das Team um Chemieingenieur Alamgir Karim entwickelte hauchdünne Schichten aus organischen Molekülen – sogenannte COF-Filme (Covalent Organic Frameworks). Diese Strukturen sind nur etwa 70 Nanometer dick, also tausendmal dünner als ein Haar, und bestehen aus leichten Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff.

Sie dienen als Isolatoren zwischen den Leitungen auf Mikrochips. So verhindern sie, dass elektrische Energie als Wärme verloren geht, und ermöglichen schnellere Signalübertragung. „KI hat unseren Energiebedarf explodieren lassen“, sagt Karim. „Viele Datenzentren brauchen riesige Kühlsysteme, um die Tausenden Server bei optimaler Temperatur zu halten.“

Der Studie zufolge liegt die elektrische Permittivität der neuen Filme bei etwa 1,17. Herkömmliche Materialien erreichen meist nur Werte zwischen 1,8 und 2,1. Das bedeutet: Je kleiner der Wert, desto geringer der Energieverlust – und desto schneller arbeiten die Chips.

Hohe Leistung auch bei 300 Grad

Die COF-Filme sind nicht nur effizient, sondern auch widerstandsfähig. Sie halten elektrische Spannungen von rund 3.900 Megavolt pro Meter aus – ähnlich wie Diamant, aber deutlich leichter. Selbst bei Temperaturen bis zu 300 Grad Celsius bleibt das Material stabil.

„Wir haben ultradünne Schichten mit außergewöhnlich niedriger Dielektrizitätskonstante und extrem hoher elektrischer Festigkeit entwickelt – genau das, was Hochleistungsgeräte für den KI-Betrieb benötigen“, erklärt Karim. Messungen zeigen zudem: Der Leckstrom bleibt selbst bei hohen Temperaturen minimal – nur etwa 0,1 Nanoampere pro Quadratzentimeter. Das Material verliert also kaum Energie, selbst unter Dauerbelastung.

Weniger Kühlung, mehr Leistung: Rechenzentren werden entlastet

Durch die COF-Filme verteilt sich Wärme gleichmäßiger, Chips müssen weniger stark gekühlt werden, und die Bauteile halten länger. Das spart Energie und schont die Infrastruktur der KI-Industrie.

Zudem ist das Material leicht und robust. Mit einer Dichte von 1,1 Gramm pro Kubikzentimeter und einem Elastizitätsmodul von 3,4 Gigapascal bleibt es stabil und flexibel zugleich. „Diese Materialien könnten die Leistung von KI- und herkömmlichen Elektroniksystemen erheblich steigern“, sagt Postdoktorand und Studienautor Maninderjeet Singh.

Entwickelt mit Nobelpreis-prämierter Methode

Die Filme entstehen durch synthetische Grenzflächenpolymerisation – eine Methode, die 2025 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Dabei reagieren zwei Flüssigkeiten, die sich nicht mischen, über 72 Stunden an ihrer Berührungsfläche. Das Ergebnis sind gleichmäßige, kristalline Schichten, die nach dem Trocknen auf Aluminium-beschichtete Siliziumwafer übertragen werden.

Zur Analyse nutzte das Team Röntgenreflexion und Elektronenmikroskopie. Die Poren der Schichten sind nur rund 1,8 Nanometer groß – klein genug, um Wärmeleitung zu verhindern, aber groß genug, um das Material leicht zu halten.

Das neue Material löst ein zentrales Problem vieler Low-k-Stoffe (Isoliermaterialien für Mikrochips): Geringe Energieverluste gehen meist mit Instabilität einher. Die COF-Filme vereinen nun beides – Festigkeit und Effizienz. Damit könnten künftige Chips nicht nur leistungsfähiger, sondern auch nachhaltiger werden.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher der University of Houston haben ein neuartiges, nur 70 Nanometer dünnes Material entwickelt, das Computerchips schneller macht und ihren Energieverbrauch deutlich senkt – ein wichtiger Schritt in Richtung energieeffiziente KI.
• Die sogenannten COF-Filme besitzen eine extrem niedrige elektrische Permittivität von 1,17 und halten Spannungen bis zu 3.900 Megavolt pro Meter aus, selbst bei Temperaturen von 300 Grad Celsius – Werte, die bisher kaum ein anderes Material erreicht hat.
• Weil die Schichten Hitze reduzieren, Stromverluste verhindern und zugleich stabil bleiben, könnten sie künftig Rechenzentren entlasten, Chips langlebiger machen und die Klimabilanz digitaler Technologien verbessern.

Übrigens: Schon kleine Temperaturschwankungen können Lebensmittel oder Medikamente unbrauchbar machen. Schweizer Forscher haben deshalb ein Etikett entwickelt, das ohne Batterie sofort zeigt, wenn die Kühlkette reißt – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © University of Houston

Das neue Verfahren könnte die Herstellung von Glasbauteilen grundlegend verändern. Es eröffnet Perspektiven für die Medizintechnik, Optik und sogar für personalisierte Implantate. Entwickelt wurde die Technik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, wo Materialwissenschaftler einen Weg fanden, Glas beim Drucken direkt zu verschmelzen.

Laser ersetzt stundenlanges Brennen

Die Technik heißt Laser-Assisted Melt Printing (LAMP). Dabei trifft ein CO₂-Laser gezielt auf feine Schichten aus Glaspulver. Die Hitze schmilzt die Partikel punktgenau zusammen, bis eine feste Struktur entsteht. Ein Brennofen mit über 1300 Grad wird überflüssig.

Der Laser baut das Objekt Schicht für Schicht auf, während neue Partikel aufgetragen werden. So entstehen glatte, dichte und transparente Formen in einem einzigen Arbeitsschritt. Studienleiter Dr. Leonard Siebert erklärt: „Wir können die physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Glätte, Farbe und Transparenz bereits während des Drucks steuern.“ Das spart Energie und macht den Druck präziser als je zuvor.

3D-Druck macht Glas dichter

Das Kieler Team nutzt eine eigens entwickelte Silica-Tinte, den Hauptbestandteil von Glas. Sie enthält Mikro- und Nanopartikel, die sich ideal verdichten. Diese Kombination verhindert Lufteinschlüsse, die Glas sonst spröde machen.

Gedruckt wird auf einer CERAN®-Platte, die Temperaturen über 1000 Grad aushält. Der Laser verschmilzt die Glaspartikel, die Platte bleibt stabil. Nach dem Abkühlen lassen sich die Objekte leicht lösen. Das Ergebnis: glatte Oberflächen ohne Risse oder Spannungen – ein seltener Erfolg bei Glasdruck.

Farbe entsteht direkt beim Drucken

Die Wissenschaftler können das Glas während des Drucks einfärben. Dafür mischen sie winzige Mengen Gold– oder Silberionen in die Tinte. Beim Erhitzen entstehen Nanopartikel, die das Licht unterschiedlich brechen.

Silber färbt das Glas gelb, Gold rötlich. Kombiniert ergeben sich orangefarbene Übergänge. „Diese Nanopartikel wirken wie winzige Filter: Sie lassen nur bestimmte Wellenlängen durch und blockieren andere“, sagt Kolja Krohne, Mitautor der Studie. Über die Laserleistung lässt sich die Farbintensität gezielt steuern – bei etwa 12,5 Watt entsteht das klarste Glas.

Mehr Festigkeit, weniger Energieverbrauch

Durch die Metallbeimischungen wird das Glas nicht nur farbig, sondern auch stabiler. Die Porosität, also der Anteil winziger Hohlräume im Material, sinkt von 13 Prozent auf etwa 3 Prozent. Damit wird das Glas dichter und widerstandsfähiger gegen Belastungen.

Einsatz in Medizin und Technik

Das Verfahren hat großes Potenzial für die Medizintechnik. Zahn- oder Knochenimplantate könnten künftig direkt aus Keramik oder Glas gefertigt werden. „Langfristig könnte die Methode zu einer energieeffizienten Plattformtechnologie für personalisierte Implantate werden“, so Siebert.

Auch in der Optik sind Anwendungen denkbar: Mikrolinsen, Filter oder Wellenleiter könnten präziser gefertigt werden, Farbverläufe im Glas ließen sich gezielt steuern. Das Forschungsteam will LAMP nun auf andere Materialien übertragen – etwa Titan- oder Zirkoniumoxid. Auch magnetische oder elektrisch leitfähige Glasvarianten sind denkbar.

Kurz zusammengefasst:

• Das Verfahren Laser-Assisted Melt Printing (LAMP) der Universität Kiel ermöglicht es erstmals, Glas direkt im 3D-Druck zu schmelzen – ohne Brennofen, ohne Nachbearbeitung und mit deutlich geringerem Energieverbrauch.
• Durch gezielte Steuerung von Laserleistung, Gasatmosphäre und Partikelgröße können Experten Dichte, Farbe und Transparenz des Glases exakt anpassen; so entstehen glatte, dichte Strukturen ohne Risse und mit reduzierter Porosität von 13 auf 3 Prozent.
• Das neue Verfahren eröffnet Anwendungen in der Medizintechnik und Optik, etwa für maßgeschneiderte Implantate, Mikrolinsen oder Filter, und gilt als vielversprechender Schritt für eine energieeffiziente und präzise Glasfertigung der Zukunft.

Übrigens: Nicht nur das Drucken von Glas wird neu gedacht – auch seine Pflege. Forscher entwickeln selbstreinigendes Glas, das Staub mit Strom statt Schwamm entfernt. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Christina Anders, Uni Kiel

Augentropfen statt Kapseln: So wirkt Lutein gezielt gegen Netzhautschäden

Lutein ist ein gelber Pflanzenstoff, der unter anderem in Spinat, Grünkohl und der asiatischen Gac-Frucht vorkommt. Er wirkt als natürliches Schutzschild gegen schädliches Licht und oxidativen Stress. Doch als Nahrungsergänzung zeigt er kaum Wirkung: Er zerfällt leicht und gelangt nicht zuverlässig dorthin, wo er gebraucht wird.

Deshalb entwickelten Forscher der australischen RMIT University gemeinsam mit dem Centre for Eye Research Australia (CERA) spezielle Augentropfen. Darin steckt Lutein in winzigen Fettpartikeln – sogenannten Cubosomen –, die den Wirkstoff stabil halten und gezielt bis zur Netzhaut transportieren.

Erste Tests zeigen vielversprechende Wirkung

In Zell- und Tierversuchen überzeugte die Tropfenformel auf mehreren Ebenen:

• Sie blieb bei Raumtemperatur über 90 Tage stabil.
• Lutein erreichte innerhalb eines Tages die Netzhaut.
• Selbst nach einer Woche war der Wirkstoff dort noch nachweisbar.

In kultivierten Netzhautzellen zeigte sich zudem ein deutlicher Schutz vor Stressreaktionen – genau jenen Prozessen, die bei AMD zum Abbau der Sehzellen führen.

„Unsere Tropfen könnten Menschen in frühen Krankheitsstadien helfen, ohne dass sie sofort Spritzen benötigen“, sagt Dr. Dao Nguyen, die das Projekt mitgeleitet hat. „Wenn die Formel funktioniert, könnte sie vorbeugend wirken.“

Augentropfen statt Spritzen: Weniger Belastung, mehr Schutz

Die neue Behandlung hätte entscheidende Vorteile:

• Keine schmerzhaften Injektionen mehr
• Keine Klinikbesuche
• Einfach anzuwenden – auch zu Hause

Vor allem Menschen mit erhöhtem Risiko – etwa bei familiärer Vorbelastung, Bluthochdruck oder Übergewicht – könnten davon profitieren. Denn die Tropfen könnten bereits schützen, bevor erste Schäden auftreten.

Wie die Tropfen im Auge wirken

Am besten wirkten die positiv geladenen Trägerpartikel, sogenannte kationische Cubosomen. Sie konnten in den Zellen Schutzmechanismen aktivieren und gleichzeitig Prozesse bremsen, die Entzündungen und krankhafte Gefäßbildung im Auge fördern.

„Unsere Transportkapseln funktionieren wie kleine Schutzschilde“, erklärt Professorin Charlotte Conn von der RMIT University. „Sie bewahren den Wirkstoff und geben ihn genau dort frei, wo er gebraucht wird.“

Die Technik könnte auch andere Krankheiten erreichen

Da die Methode empfindliche Wirkstoffe gezielt und stabil transportiert, könnten auch Medikamente gegen andere Augenkrankheiten oder schwer erreichbare Bereiche im Körper – etwa das Gehirn – so verabreicht werden.

„Wir haben gezeigt, dass man fragile Substanzen sicher an ihr Ziel bringen kann – das war bisher oft das größte Hindernis“, erklärt Professorin Tien Huynh.

Noch steht die Forschung am Anfang

Trotz der positiven Ergebnisse ist die Tropfenformel noch nicht einsatzbereit. Getestet wurde bislang nur im Labor und an gesunden Mäusen. Ob sie bei Menschen mit AMD tatsächlich wirkt, müssen klinische Studien zeigen. Professor Chi Luu vom CERA ist jedoch zuversichtlich:

Diese Methode könnte die Behandlung von AMD grundlegend verändern. Wenn Wirkung und Sicherheit sich bestätigen, wären Augentropfen eine echte Alternative.

Kurz zusammengefasst:

• Eine neue Lutein-Formel in Augentropfen erreichte in Studien direkt die Netzhaut und schützte dort Zellen, die bei Makuladegeneration geschädigt werden.
• Die Tropfen blieben bei Raumtemperatur 90 Tage stabil und könnten Spritzen ins Auge in frühen Krankheitsstadien ersetzen.
• Die Augentropfen könnten künftig helfen, das Risiko einer Erblindung im Alter deutlich zu senken – besonders bei Menschen mit bekannten Risikofaktoren.

Übrigens: Auch die richtige Ernährung hilft, Netzhautschäden zu verhindern. Warum die Mittelmeerkost laut Experten das Risiko für AMD, Glaukom und Co. senken kann – mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Will Wright, RMIT University

Diese Strukturen bestehen aus nur 30 bis 35 Atomen und sind rund tausendmal dünner als ein menschliches Haar. Trotz ihrer geringen Größe besitzen sie Eigenschaften, die für Medizin, Photovoltaik und Umwelttechnik von Bedeutung sein könnten.

Gold zeigt im Nanobereich völlig neue Eigenschaften

Im Nanobereich verändert sich das Verhalten von Gold grundlegend. Bei Clustern aus nur wenigen Dutzend Atomen entstehen neuartige Eigenschaften: Sie können Licht gezielt absorbieren oder abstrahlen. Diese Effekte machen sie für technische Anwendungen interessant.

Normalerweise entstehen kugelförmige Cluster. Wie genau sich Goldatome anordnen, war bislang kaum zu beobachten. Das Team um Professor Tatsuya Tsukuda wollte den Wachstumsprozess gezielt nachvollziehen – und stieß dabei auf eine völlig neue Struktur.

Nadeln statt Kugeln: eine unerwartete Struktur

Die Forscher schufen spezielle chemische Bedingungen, unter denen sich Goldatome besonders langsam und kontrolliert verbinden. So konnten sie Zwischenstufen des Wachstumsprozesses einfangen und analysieren – ein Novum in der Clusterforschung.

Das Ergebnis überraschte: Statt wie üblich runde Formen zu bilden, reihten sich die Atome stabförmig an. Die daraus entstehenden Strukturen bestanden aus Dreiecken und Tetraedern – eine Form, die in der Nanochemie bislang unbekannt war. Das Team nannte die Teilchen „Gold-Quantennadeln“.

Empfindlich für infrarotes Licht – ideal für die Krebsdiagnose

Die neue Form bringt auch neue Eigenschaften: Die Nadeln reagieren besonders stark auf Licht im nahen Infrarotbereich. Genau dieses Licht dringt tief ins Gewebe ein und wird in der Krebsdiagnostik bereits eingesetzt.

Zwei Nadeln mit 33 und 34 Goldatomen absorbierten Licht bei 770 bzw. 755 Nanometern – vergleichbar mit dem Farbstoff Indocyaningrün, der für chirurgische Eingriffe verwendet wird. Die Nadeln könnten in Zukunft die Bildgebung präziser und schonender machen.

Ein weiteres Plus: Die Nadeln senden zwei Arten von Licht aus – Fluoreszenz und Phosphoreszenz. Fluoreszenz erfolgt sofort, Phosphoreszenz zeitverzögert. Diese Kombination verbessert die Bildschärfe und hilft, gesundes von krankem Gewebe zu unterscheiden.

Potenzial für Solarzellen und Sensoren

Auch jenseits der Medizin bieten sich Anwendungen an. Die quantenmechanischen Eigenschaften der Nadeln könnten helfen, Sonnenlicht effizienter in Strom umzuwandeln – etwa in neuen Typen von Solarzellen. Zudem denkbar: Lichtsensoren oder Systeme zur Umweltüberwachung. Die hohe Empfindlichkeit im infraroten Bereich macht die Nadeln vielseitig einsetzbar.

In ihrer Publikation schreiben die Autoren: „Diese Nadeln lassen sich aufgrund ihrer besonderen Empfindlichkeit für Nahinfrarotlicht sowohl zur Umwandlung von Sonnenenergie als auch für biomedizinische Anwendungen nutzen.“

Sieben Varianten mit unterschiedlichen Eigenschaften

Den Forschern gelang es, sieben verschiedene Nadeln herzustellen. Sie bestanden aus jeweils unterschiedlich vielen Goldatomen und trugen unterschiedliche elektrische Ladungen. Diese feinen Unterschiede beeinflussten, wie stark und auf welche Wellenlänge die Nadeln reagierten.

Je nach Aufbau eigneten sich die Nadeln für verschiedene Zwecke. Besonders bemerkenswert: Über die Hälfte des eingesetzten Goldes ließ sich in stabiler Form zurückgewinnen – ein seltener Erfolg in der Nanochemie.

Warum die Entdeckung auch den Alltag verändern könnte

Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Doch die Eigenschaften der Gold-Quantennadeln könnten künftige Technologien prägen:

• Schonendere Krebsdiagnosen ohne belastende Kontrastmittel
• Effizientere Solarzellen durch gezielte Lichtnutzung
• Neue Materialien für optische Sensoren
• Präzisere Bildgebung bei Operationen

Die Visualisierung einzelner Wachstumsstufen bringt die Forschung einen großen Schritt voran. Tsukuda fässt zusammen: „Die Formation dieser nadelartigen Strukturen war ein unerwarteter Fund – weit jenseits unserer ursprünglichen Vorstellung.“

Kurz zusammengefasst:

• Ein Forschungsteam der Universität Tokio hat winzige, stiftförmige Goldstrukturen entdeckt, die besonders empfindlich auf Infrarotlicht reagieren und deshalb neue Möglichkeiten für medizinische Bildgebung und Krebsdiagnostik bieten.
• Die Quantennadeln aus Gold bestehen aus nur wenigen Dutzend Atomen, wachsen schrittweise aus Dreiecken und Tetraedern und zeigen neue quantenmechanische Eigenschaften.
• Die Forscher konnten sieben verschiedene Cluster isolieren und nachweisen, dass sich Gold unter kontrollierten Bedingungen gezielt in funktionale Nanostrukturen mit messbarem Anwendungspotenzial formen lässt.

Übrigens: Unsichtbares Licht bleibt für das menschliche Auge normalerweise verborgen. Neue Kontaktlinsen aus China übersetzen Infrarotstrahlen in sichtbare Farben – und könnten so Medizin, Sicherheit und Alltagsleben verändern. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pexels