Kleine Schwankung der Sonnenaktivität, große Wirkung im Klima

Jetzt dürften sie keine Argumente mehr haben, die Zweifler an den Mondlandungen des Apollo-Programmes. 40 Jahre nach dem die ersten Menschen den Mond betreten haben, veröffentlicht die NASA Fotos vom Lunar Reconnaissance Orbiter LRO auf denen 5 der 6 Landeplätze zu sehen sind. Man sieht die zurückgebliebenen Start/Lande-Module, wissenschaftliche Geräte und teilweise Fußspuren der Astronauten. In der nächsten Zeit sollen Bilder gemacht werden, die eine dreifach höhere Auflösung haben.

Bilder und Berichte siehe:http://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/multimedia/lroimages/apollosites.html

Kraftschub für Spinnenseide

Ein Wissenschaftlerteam aus Halle macht Spinnfäden mit dem Zusatz von Metallen deutlich reißfester und dehnbarer

Spiderman täte sich mit einem solchen Spinnenfaden sicher noch leichter. Etwa wenn er ein Fluchtauto stoppen muss, das mit 100 Kilometern pro Stunde davonrast. Aus 20 Metern Entfernung würde ihm dazu ein fünf Millimeter dünner Faden reichen - vorausgesetzt ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik hat die Spinnenseide zuvor behandelt. Ein Faden naturbelassener Spinnenseide müsste dagegen fingerdick sein und eine Stahlstange sogar so dick wie ein Unterarm. Das natürliche Material stärken die Max-Planck-Wissenschaftler, indem sie es mit Metallatomen infiltrieren. Auf diese Weise lassen sich möglicherweise auch andere natürliche sowie synthetische Fasern kräftigen.

Selbst wenn es nicht der Aufzug zur Raumstation ISS sein soll, dessen Vision die NASA in ihrer Traumfabrik verfolgt: Auch ein Stahlseil, das den Lift in einem Wolkenkratzer vom Format des Empire State Buildings zieht, hat an seinem eigenen Gewicht etwa so viel zu tragen wie an der Kabine. Und je höher die Häuser wachsen, desto dicker und schwerer werden die Seile. Abhilfe könnte da ein Material schaffen, das so zugfest ist wie die mit Metallionen infiltrierte Spinnenseide aus dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik.

Dass ein mit Metallionen behandelter Spinnenfaden auch unter großem Zug nicht reißt, ist nur einer seiner Vorteile: "Er lässt sich auch zweimal so stark dehnen wie ein natürlicher Spinnenfaden", sagt Mato Knez, der die Arbeiten am Max-Planck-Institut leitet. Da das behandelte Material starkem Zug und kräftiger Dehnung standhält, nimmt es zehnmal mehr Energie auf als das naturbelassene, bevor es reißt. Und eignet sich daher hervorragend, um eine volle Fahrt oder einen freien Fall zu bremsen: den Sturz eines Bergsteigers etwa.

Aber auch im Flugzeug- und Fahrzeugbau oder in der Weltraumtechnik könnten Materialien mit solchen Eigenschaften Anwendung finden. Generell überall dort, wo leichte, starke und flexible Werkstoffe gefragt sind. "Für die Praxis verspricht unsere Arbeit großes Potenzial, weil wir mit unserer Methode auch viele andere Biomaterialien reißfester und dehnbarer machen können", sagt Mato Knez. Wichtige Voraussetzung: Die Naturstoffe müssen als wesentlichen Bestandteil Proteine enthalten. Fasern aus dem Protein Kollagen etwa, die Knochen vor Brüchen und die Haut vor Rissen schützen, haben Knez und seine Mitarbeiter bereits durch die Metallbehandlung gestärkt.

Wie die Forscher festgestellt haben, wirkt die Kräftigungskur für Spinnfäden und andere Eiweißfasern jedoch nur, wenn die Metallionen auch in sie eindringen. Um das zu erreichen, haben sie die Atomic Layer Deposition (ALD) abgewandelt. Mit dieser Methode werden gewöhnlich einzelne Lagen von Metalloxiden auf Oberflächen abgeschieden, indem ein Material im schnellen Wechsel Wasserdampf und einer flüchtigen Verbindung aus einem Metall und organischen Anhängseln ausgesetzt wird. Bis zu einigen Hundert solcher Gaspulse strömen auf das Material ein und überziehen es mit einer mehr oder weniger dicken Oxidschicht. "Da jeder Puls nur Sekundenbruchteile dauert, dringt das Metall aber nicht in das Material ein", erklärt Mato Knez: "Daher haben wir die Apparatur so umgebaut, dass wir die einzelnen Pulse bis zu 40 Sekunden ausdehnen können."

Um schon im Begriff klar zu machen, dass es sich nicht mehr nur um eine Beschichtung handelt wie bei der üblichen ALD, nennen die Forscher das modifizierte Verfahren Multiple Pulsed Vapor Phase Infiltration, kurz MPI. So wollen sie künftig Missverständnissen vorbeugen. "Es hat uns nämlich einige Mühe bereitet, Kollegen verständlich zu machen, dass wir Stoffe in einem Verfahren infiltrieren, das bislang nur zum Beschichten dient."

Dass Metallatome aus den Gasschwaden auch ins Innere der Spinnenseide kriechen, konnten die Forscher im Transmissionselektronenmikroskop erkennen. Für diese Untersuchungen hat ein Mitarbeiter der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg 90 Nanometer dünne Scheiben von dem Spinnenfaden abgeschnitten. Nicht erklärt haben die Mikroskopbilder, warum die Metallatome den Proteinfäden mehr Kraft geben. " Darauf haben wir bislang auch nur Hinweise", sagt Mato Knez: Zum Beispiel aus NMR-Messungen, die Mitarbeiter der Universität Halle an mit Aluminium infiltrierten Spinnfäden gemacht haben.

"Demnach liegt das Aluminium darin in einer anderen Verbindung vor als in einem typischen Aluminumoxid", sagt Knez, und er hat auch eine Idee in welcher: "Wir nehmen an, dass die Metallatome die Proteinmoleküle untereinander verbinden." Gewöhnlich bilden Wasserstoffatome Brücken zwischen den Molekülen, die jedoch viel leichter brechen als die starken Bindungen über Metallatome. So wird plausibel, warum ein metalldurchsetzter Spinnfaden mehr Gewicht hält als ein natürlicher. Und auch die bessere Dehnbarkeit lässt sich so erklären. In die Länge ziehen lässt sich ein Spinnfaden nämlich, weil seine Proteinfasern in amorph genannten Bereichen durcheinander laufen wie verhedderte Wollfäden. An anderen Stellen legen sie sich aneinander wie Wolle in einem ordentlichen Knäuel. "Auch in diesen kristallinen Bereichen werden die Wasserstoffbrücken vermutlich von Metallatomen ersetzt", sagt Mato Knez. Dabei löst sich ihre Ordnung auf, die amorphen Bereiche wachsen und mit ihnen die Dehnbarkeit.

Trotz der drastisch verbesserten Eigenschaften, wird metallbehandelte Spinnenseide künftig wohl weder Kotflügel noch Tragflächen verstärken. "Es ist wahrscheinlich kaum möglich, natürliche Spinnenseide im großen Stil zu gewinnen", sagt Knez. Denn die Tiere lassen sich nur unter großem Aufwand halten und sind auch beim Spinnen nicht besonders produktiv. Vom praktischen Nutzen des Kraftschubs für Material ist Mato Knez dennoch überzeugt: "Wir setzen darauf, dass wir auch die Eigenschaften von synthetischen Materialien, die natürliche imitieren, mit unserem Verfahren verbessern können."

Max-Planck-Gesellschaft


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Seung-Mo Lee, Eckhard Pippel, Ulrich Gösele, Christian Dresbach, Yong Qin, C. Vinod Chandran, Thomas Bräuniger, Gerd Hause, Mato Knez: Greatly Increased Toughness of Infiltrated Spider Silk. Science 324, 5926, 488 - 492 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1168162

Das Weltraumprojekt "Microscope" wird die Äquivalenz von träger und schwerer Masse in bisher nicht erreichbarer Genauigkeit überprüfen. Dafür wird ein Mikrosatellit der französischen Weltraumagentur CNES die aus der PTB stammenden Testmassen für die Beschleunigungs-Experimente in die Erdumlaufbahn bringen. Die 8 cm langen Testmassen bestehen aus konzentrisch ineinander steckenden Metallzylindern.
Seit Galilei und Newton gilt die Annahme, dass träge und schwere Masse äquivalent sind. Dies wird jedoch von neuen physikalischen Theorien wie der String-Theorie in Frage gestellt. Mit bisher unerreichter Genauigkeit wird das Äquivalenzprinzip nun im Weltraumprojekt "Microscope", einer deutsch-französischen Kooperation, auf den Prüfstand gestellt. Die PTB hat Fertigungs- und Messmethoden für die Herstellung der für die Beschleunigungsexperimente in einem erdnahen Orbit nötigen Testmassen entwickelt und erste Probekörper hergestellt. Der Weltraum ist der ideale Ort, um die Äquivalenz von träger und schwerer Masse mit einer Genauigkeit, die unter irdischen Verhältnissen nicht möglich ist, zu überprüfen. Dazu wird die französische Weltraumagentur CNES (Centre National d'Etudes Spatiales) ab dem Jahr 2012 einen Mikrosatelliten in eine erdnahe Umlaufbahn bringen und Beschleunigungsversuche an unterschiedlichen Testmassen durchführen. Kernstück dieser Versuche sind Paare von konzentrisch ineinander steckenden Metallzylindern, die im Gleichgewicht zwischen der Anziehungskraft der Erde (die auf die schwere Masse der Zylinder wirkt) und der Zentrifugalkraft (die auf die träge Masse wirkt) im Satelliten schweben. Wird der Satellit jedoch gezielt beschleunigt, so wird das Kräftegleichgewicht aufgehoben.

Die Aussagekraft dieser Beschleunigungsexperimente hängt grundlegend von der Qualität der eingesetzten Testmassen ab. Nur wenn Masse, Form, Dichte und thermische Ausdehnung der Zylinder sehr genau bekannt sind, können die möglicherweise sehr kleinen Differenzen zwischen träger und schwerer Masse überhaupt beobachtet werden. Dem Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB ist es gelungen, den Herstellungsprozess für die Testmassen (aus einer Standard-Titan-Legierung sowie einer sehr speziellen Platin-Rhodium-Legierung) soweit zu optimieren, dass die Form- und Dimensionsabweichungen in allen drei Raumdimensionen der Metallzylinder im Bereich von 1 µm liegen. Diese Präzision stellte eine enorme technische Herausforderung dar, welche an die theoretischen Fertigungsgrenzen der einsetzbaren Fertigungsmaschinen ging. Umfangreiche Messtechnik musste dazu in die Bearbeitungsstation integriert werden. 

Die bisher produzierten Prototypen wurden von den entsprechenden Fachlaboratorien der PTB überprüft, erfüllen die angestrebten Genauigkeiten und werden im Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen, einem Kooperationspartner in dem Projekt, für Messungen im Fallturm eingesetzt, die dem Orbitalexperiment vorgelagert sind. Nach Auswertung dieser Messungen wird die PTB die eigentlichen Testmassen für die Satellitenexperimente fertigen.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)


Weitere Infos:

• Informationen des CNES:
  http://www.cnes.fr/web/CNES-en/2847-microscope.php
• Informationen des Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) an der Uni Bremen:
  http://www.zarm.uni-bremen.de/

Ausschwärmende Teilchen
    
Silberchlorid-Mikropartikel funktionieren als lichtgetriebene Mikromotoren, die sich in Form von Schwärmen organisieren

Ein Schwarm winziger Maschinen, die zielgerichtet durch die Blutbahn sausen und ein Organ reparieren oder einen Wirkstoff an seinem Zielort abliefern, Mikroroboter, die gemeinsam ein nanotechnologisches Bauteil zusammensetzen - was wie Science-Fiction klingt, ist eine durchaus realistische Zukunftsperspektive. Erstaunliche Fortschritte bei der Herstellung autonom arbeitender Nano- und Mikromotoren wurden bereits erreicht, allerdings hapert es bisher noch am Teamgeist der kleinen Maschinen. Um anspruchsvolle Aufgaben erfüllen zu können, müssen die einzelnen Maschinen untereinander kommunizieren und kooperieren. Forscher um Ayusman Sen von der Pennsylvania State University (USA) präsentieren jetzt Silberchlorid-Mikropartikel, die sich fast wie lebende Einzeller zu "Schwärmen" zusammenfinden können. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, sondern die Teilchen bei UV-Bestrahlung "Signalsubstanzen" ab, die andere Partikel "anlocken".

Lebende Zellen und Organismen sind in der Lage, untereinander Informationen auszutauschen und im Team Aufgaben zu erfüllen. So sondern etwa einzellige Schleimpilze unter ungünstigen Lebensbedingungen eine spezielle Substanz ab. Benachbarte Schleimpilze folgen dem Gradienten dieses Signalstoffs und lagern sich in Form eines mehrzelligen Fruchtkörpers zusammen. 

Ergänzung: Hierzu hat der PhysikClub auch eine JuFo Arbeit von Julia Sprenger und Florian Grundmann anzubieten.

Sie kann hier heruntergeladen werden!

Ähnlich wie der Schleimpilz verhalten sich auch die ca. 1 µm großen Silberchloridpartikel in deionisiertem Wasser, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Unter UV wird Silberchlorid zersetzt, dabei werden Ionen frei, die gleichzeitig als Antriebsmechanismus und als Signalstoff wirken.

Die Grundlage hierfür ist ein Phänomen namens Diffusiophorese, das ist die Bewegung von Partikeln entlang eines Elektrolytgradienten. Die Silberchloridteilchen "schwimmen" in Richtung der höheren Ionenkonzentration. Aufgrund von Ungleichmäßigkeiten der Partikeloberfläche sowie einer nichtgleichförmigen Bestrahlung verläuft die Zersetzungsreaktion der Partikel asymmetrisch. Es werden nicht an jeder Stelle gleich viel Ionen freigesetzt, sodass ein lokaler Ionengradient um das Teilchen entsteht. Das Teilchen verursacht damit seinen eigenen Ionengradienten, der es auf Geschwindigkeiten bis zu 100 µm/s beschleunigt (Selbst-Diffusiophorese). Benachbarte Silberchloridpartikel folgen dem Ionengradienten in der Lösung und "schwimmen" damit in Regionen mit höherer Partikeldichte. Nach einigen Minuten entstehen kleine, recht stabile "Schwärme" der Partikel. Auch photochemisch inaktive Siliciumdioxidpartikel reagieren auf das Ionensignal. Sie sammeln sich um die Silberchloridteilchen.

Das System kann als nichtbiologisches Modell für die Kommunikation zwischen Zellen genutzt werden. Vor allem aber stellt es ein neues Designprinzip für "intelligente" synthetische Nano- oder Mikromaschinen dar, die im Team zusammenarbeiten können.

Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Ergänzung: Bie Heringsschwärmen könnte die Lichtintensität das schwarmbildende Signal sein. Gruppenbildung ist vor allem in der Dunkelheit besodners wichtig.