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Montag, 01 März 2021 09:00

Brief aus England

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Geschätzte Lesezeit: 10 - 19 Minuten
Abb. 1: Die USA, eine tief gespaltene Nation Abb. 1: Die USA, eine tief gespaltene Nation

Adieu Donald Trump

Die Welt hat die Ereignisse in den USA mit einer Mischung aus Entsetzen und Unglauben verfolgt. Wir alle in Europa haben uns mit dem Gedanken getröstet: „Das kann hier nicht passieren.“ Ich hoffe, das ist wahr. Präsident Trump hat eine zerrissene Nation hinterlassen. Nichts dokumentiert dies besser als die Ergebnisse der Präsidentschaftswahlen im November, wie Abbildung 1 deutlich zeigt. Der mittlere Westen des Landes ist überwiegend rot (d. h. republikanisch), während Ost- und Westküste blau (demokratisch) sind.

Die USA sind tief gespalten, wobei die wirtschaftliche und politische Macht fest an der Ostküste angesiedelt ist (Wall Street in New York und Washington DC), während an der Westküste (hauptsächlich Kalifornien) einige der größten Unternehmen der Welt beheimatet sind – Microsoft, Amazon, Google, Facebook, Tesla u. a. In der Mitte die weniger glamourösen Schwerindustrien und natürlich die Landwirtschaft.

 "Präsident Trump hinterlässt der USA ein schweres Erbe"

Ich werde nicht auf die vielen Versäumnisse von Präsident Trump eingehen, außer zu sagen, dass er kein Freund von Europa oder der NATO oder des Klimawandels war. Viele politische Führer bilden echte Freundschaften mit ihren Amtskollegen aus anderen Nationen. Aber nicht Präsident Trump, der manchmal ziemlich unhöflich zu den Führern von Deutschland, Großbritannien, Kanada und anderen war, aber eine seltsame Quasi-Freundschaft mit Präsident Putin hatte. Aber fairerweise muss man sagen, dass Donald Trump zumindest ein paar positive Errungenschaften vorzuweisen hatte, wie die jüngsten Friedensbemühungen im Nahen Osten und auch seine frühzeitige Anerkennung der von China ausgehenden Bedrohung. Aber sein seltsamstes und schädlichstes Vermächtnis ist seine Weigerung (die er weiterhin aufrechterhält), das Ergebnis der Wahl im November zu akzeptieren. Trump ist jetzt weg, aber laut jüngsten Meinungsumfragen glauben etwa 40 Millionen der Amerikaner, die für ihn gestimmt haben, weiterhin, dass die Wahl gestohlen war. Dafür gibt es nicht den geringsten Beweis, und etwa 30 verschiedene Gerichtshöfe, einschließlich des Obersten Gerichtshofs (mit vielen seiner von Trump ernannten Richter) haben solche Behauptungen zurückgewiesen.

Die USA, die vielleicht technologisch fortschrittlichste Nation der Welt, ist heute die Heimat einiger der verrücktesten Ideen, die man sich vorstellen kann. Ich möchte nur einige aufzählen, darunter die Theorie, dass Millionen von republikanischen Stimmen auf mysteriöse Weise von Wahlmaschinen zu einem italienischen Weltraumsatelliten gebeamt wurden, wo sie in demokratische Stimmen umgewandelt und zurück zur Erde gebeamt wurden. Die mysteriöse Organisation QAnon glaubt, dass die Welt von Pädophilen regiert wird, die Kinder in Höhlen unter dem Central Park in New York gefangen halten. Und für deutsche Leser gibt es diejenigen, die behaupten, Angela Merkel sei die Enkelin von Adolf Hitler. Völlig verrückt!

Aus den letzten Monaten wissen wir in Europa und den USA, wie gefährlich soziale Medien sein können. Präsident Trump hat seine Fantasien an seine vielen Millionen Twitter-Follower verfüttert, von denen die meisten sie dann geglaubt haben. Wir alle erkennen nun das Problem, das eigentlich ganz einfach ist. Sind Twitter, Facebook u. a. sogenannte Plattformen, eine Bühne, auf der jeder fast alles äußern kann, sei es Wahrheit oder Fiktion, oder sind es Verlage wie der Verlag Leuze, der rechtlich für das verantwortlich ist, was er veröffentlicht, und deshalb sehr darauf achtet, dass seine Veröffentlichungen ehrlich und wahrheitsgemäß sind? Interessanterweise hat sich Twitter mit der Sperrung des Accounts von Präsident Trump nach den jüngsten Ereignissen in Washington fast zum ersten Mal wie ein Verlag verhalten.

Ein zweites Problem mit Webseiten wie Facebook u. a. besteht darin, dass sie jedes Jahr viele Milliarden Gewinn machen, durch Werbung von deutschen Kunden, aber dank geschickter Steuervereinbarungen sehr wenig Steuern in Deutschland, England oder anderen Staaten zahlen. Ich sage voraus, dass 2021 das Jahr sein wird, in dem die EU und andere Gremien diese Cowboys endlich unter Kontrolle bringen. Man könnte sagen, dass diese sozialen Medien ihren Nutzern fast völlige Freiheit bieten, und dass Präsident Trump, indem er diese Freiheit missbrauchte, um seine Anhänger zur Randale zu ermuntern, schließlich zu weit ging und deutlich machte, dass eine Form der Regulierung längst überfällig war.

Frau Merkel, wie Leser wissen werden, hat sich in diese Debatte eingeschaltet und Twitter für sein Verbot der freien Meinungsäußerung verurteilt. Und die australische Regierung streitet sich mit Google, weil sie fordert, dass Google echte Verlage für das Material, das es auf seiner Website anzeigt, bezahlen soll. Schließlich tragen jene die Kosten für die Erstellung dieses Materials.

Bessere Solarpaneele, bessere Lithium-Batterien

Abb. 2: Graphen-Perowskit-Solarmodule im Test in GriechenlandAbb. 2: Graphen-Perowskit-Solarmodule im Test in GriechenlandLaut dem jüngsten Bericht der IEA (International Energy Agency) wird die Solarenergie innerhalb des nächsten Jahrzehnts die wichtigste erneuerbare Energiequelle werden, gefolgt von Offshore- und Onshore-Windenergie. Der weltweit erste Graphen-basierte Perowskit-Solarpark ist seit einigen Monaten in Griechenland in Betrieb, und die ersten Ergebnisse sind sehr vielversprechend, wenn es um Leistung und Effizienz geht. Der neue Solarpark befindet sich an der Hellenic Mediterranean University auf Kreta und ist Teil des Graphen-Flaggschiffs der EU. Er besteht aus neun Graphen-Perowskit-Paneelen mit einer Gesamtfläche von 4,5 m2 und einer Gesamtleistung von etwa 261 Watt-Peak (Wp). Die Paneele sind seit Juni im Dauerbetrieb. Es wird ein ganzes Betriebsjahr benötigt, bevor alle Ergebnisse mitgeteilt werden können. Abbildung 2 zeigt die Testanlage.

Graphen-Perowskit-Photovoltaik (G-PE PVs) zeigt bei hohen Temperaturen eine bessere Leistung als herkömmliche PV-Paneele, und in Bezug auf die Stabilität wurde nach drei Monaten nur eine geringe Degradation beo- bachtet. Jedes Graphen-Perowskit-Modul enthält Graphen und verwandte 2D-Materialien wie Molybdändisulfid, was die Leistung und Stabilität deutlich erhöht. Die aktive Schicht der Panels ist ein gemischtes Dreifachkation-Bleihalogenid-Perowskit. Die Kosten der Graphen- Perowskit-Paneele sind mit denen anderer Solarzellen vergleichbar.

G-PE-PVs können auch als zusätzliches PV-Element auf bestehenden Technologien, wie z.B. Tandem-Silizium-Modulen, eingesetzt werden und diese Kombination wird Modulwirkungsgrade von über 30 % ergeben. Die Stromkosten könnten auf 0,10 Euro/Wp und vielleicht sogar auf 0,04 Euro/Wp fallen.

Bessere Batterien

Abb. 3: Nanogroße Partikel ermöglichen eine schnelle IonenmobilitätAbb. 3: Nanogroße Partikel ermöglichen eine schnelle IonenmobilitätLithium-Batterien haben die E-Mobilität zu einer realistischen Alternative zu Brennstoffmotoren gemacht. Doch es gibt noch Verbesserungsbedarf. Zum einen die Reduzierung der Kosten der Batterien, aber auch ihres Gewichts, d.h. ihrer Energiedichte. Zum anderen ihre Lebensdauer (Anzahl der Lade-/Entladezyklen) und schließlich die Zeit, die sie zum Aufladen benötigen. In all diesen Bereichen werden Fortschritte gemacht. Nicht-technische Menschen erkennen jedoch nicht, da bin ich sicher, dass es einen Preis für schnelles Laden gibt, nämlich unseren alten Freund, den Ohmschen Spannungsabfall. Schnelles Laden von Batterien bedeutet Energieverlust (als Wärme), schwerere Kabel und Stecker und Nebenkosten. Die israelische Firma StoreDot (www.store-dot.com) ist eines von mehreren Unternehmen, die schnelles Laden von Lithium-Akkus versprechen. Auf ihrer Website finden sich viele technische Informationen, wobei der geschickte Einsatz von organischen Materialien hervorzuheben ist, deren Elastizität wichtig sein kann, um die Volumenänderung im Lade-/Entladezyklus auszugleichen. Abbildung 3 zeigt die nanostrukturierte aktive Masse, die eine schnelle Ionenmobilität ermöglicht. StoreDot ist eine Partnerschaft mit BP (ehemals British Petroleum) eingegangen. Ein wichtiges Merkmal der StoreDot-Technologie ist, dass sie in bestehenden Lithium-Ionen-Batterieanlagen eingesetzt werden kann.

 "Lithium ist nicht der Weisheit letzter Schluss"

Ein weiteres Unternehmen, das Lithium-Batterien der nächsten Generation entwickelt, ist Aceleron (www.aceleronenergy.com). Diese Batterien ermöglichen ebenfalls ein schnelles Aufladen, und die eigentliche Batterie wird durch Kompression zusammengesetzt, im Gegensatz zum Schweißen oder Kleben. Sie kann zur Reparatur oder zum Recycling leicht auseinandergenommen werden.

Vor einigen Wochen meldete ein Team der Penn State University* einen Erfolg mit einem, wie sie es nennen, thermisch modulierten Li-Fe-P-System. Die kostengünstige, leichte Batterie bietet, so behauptet Aceleron, eine Reichweite von 300 km und kann in 10 Minuten wieder aufgeladen werden. Der Akku verfügt über eine dünne Nickelfolie, die es dem Akku ermöglicht, die optimale Ladetemperatur von 60 °C in 90 Sekunden zu erreichen. Sie ist außerdem Kobalt-frei und könnte – so wird behauptet – eine Lebensdauer von ca. 3 Millionen km haben.

*Thermally modulated lithium iron phosphate batteries for mass-market electric vehicles. Xiao-Guang Yang, Teng Liu & Chao-Yang Wang Heft Nature Energy Bd. 2476, Jan 18th 2021

Was kommt nach Lithium?

Als das leichteste der sogenannten Alkalimetalle scheinen Lithium-Batterien die höchste theoretische Energiedichte zu bieten. Aber es ist kein reichlich vorhandenes Element. Ein aktueller Überblick über die Natriumbatterie-Technologie macht deutlich, dass diese Technologie vor allem für statische Anwendungen nur etwas weniger Leistung als ihr Lithium-Pendant bietet, dafür aber zu deutlich geringeren Kosten. Damit könnte sie für die Energiespeicherung im großen Maßstab bedeutender sein als die Lithium-Technologie. Abbildung 4 zeigt die Batteriekonfiguration. In Abbildung 5 ist Leistung im Vergleich zur Lithium-Technologie dargestellt.

Quelle: ACS Energy Lett. 2020, 5, 11, 3544-3547. Veröffentlicht am: 23. Oktober 2020. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c02181

Abb. 4: Aufb au einer NatriumbatterieAbb. 4: Aufb au einer Natriumbatterie

Abb. 5: Natriumbatterie im Vergleich zur Lithium-TechnologieAbb. 5: Natriumbatterie im Vergleich zur Lithium-Technologie

Und Calcium?

Auch eine Calcium-Batterie könnte viele Vorteile bieten. Noch befindet sich diese Technologie im Laborstadium, weltweit führend ist wohl das Team am Helmholtz Institut in Ulm unter der Leitung von Professor Maximilian Fichtner.

Eine aktuelle Veröffentlichung ist: Z Li u.a. Heft Energy & Environmental Science (2019) DOI 10.1039/c9ee01699f

In blauen Himmeln

Herkömmliche Batterien funktionieren auf der Basis von positiv und negativ geladenen Ionen, die sich unter einem Potentialgefälle bewegen. Doch was wäre, wenn man die Anionen durch freie Elektronen ersetzen könnte? Diese werden als Elektronen bezeichnet. Professor Scott Warrant von der University of North Carolina, USA, hat eine bahnbrechende Arbeit veröffentlicht, die auf der Spezies (Y2CF2)2 Yttriumdifluorocarben basiert, das seine zwei Fluoridatome reversibel verlieren kann. Theoretisch könnte eine Batterie, die auf diesem Ansatz basiert, die doppelte Energiedichte einer Lithium-Batterie haben, aber das Konzept befindet sich noch in einem sehr frühen Stadium.

Quelle: D L Druffel u.a. J. Phys. Chem. Letters (2020) Bd 11, ss. 9210. DOI: 10.1021/acs.jpclett.0c02266

 

Fazit:

Sowohl bei der Solarenergie (Photovoltaik) als auch bei den Batterien gibt es, nach langen Jahren des Stillstands, aufregende neue Entwicklungen, die diese Technologien immer nützlicher und kostengünstiger machen werden. Und vielleicht wird auch die Produktion „grüner“.

Wie wir kaufen und bezahlen, was wir nutzen

Die Deutschen haben den Ruf, vernünftig mit ihrem Geld umzugehen und vor allem Schulden gegenüber sehr abgeneigt zu sein. Das ist wahrscheinlich der Grund, warum die Nutzung von Kreditkarten in Deutschland weniger verbreitet ist als z. B. in den USA. Aber die Unternehmen wollen, dass wir kaufen, und machen sich keine großen Sorgen, wenn wir uns dafür Geld leihen. Seit etwa einem Jahr gibt es neue Möglichkeiten, Verbraucher zum Kauf von Produkten zu verleiten, die sie sich eigentlich nicht leisten können. Natürlich ist das nicht ganz neu. Seit Jahrzehnten bieten Verkäufer sogenannten Mietkauf an, bei dem der Käufer vielleicht 24 Monate lang jeden Monat so und so viel zahlt und erst dann ist der Kauf wirklich sein Eigentum. Die Kosten für solche Systeme, die oft als „never-never“ bekannt sind, können 20–30 % mehr betragen als bei einer Einmalzahlung. Seit etwa zehn Jahren lockt das schwedische Unternehmen Klarna (www.klarna.com), zu dem auch die deutsche SOFORT AG gehört, mit dem Slogan „Jetzt kaufen, später zahlen.“ Für manche funktioniert dieses Arrangement gut. Im Gegensatz zum Mietkauf muss das Kaufhaus an Klarna zahlen, um an dem Programm teilzunehmen.

Neuwagen sind nicht billig. Wenn ein Autohersteller anbietet, sie quasi zu verschenken, wird das auf Interesse stoßen. Lynk and Co, eine Marke in chinesischem Besitz, hat ein neues Bezahlsystem für „Hybridbesitz“ angekündigt, das es den Fahrern ermöglicht, die Kosten für das Auto wieder hereinzuholen und möglicherweise sogar einen kleinen Gewinn zu erzielen. Das Unternehmen, das bald mit der Auslieferung von Autos nach Europa beginnen wird, ermöglicht es den Fahrern, ihr neues sportliches Nutzfahrzeug für 500 Euro pro Monat zu abonnieren, mit der Option, es an andere Personen zu vermieten, um das Geld zurück zu verdienen.

Die Autobesitzer können ihre eigenen Preise und Bedingungen für die Vermietung festlegen und einen digitalen Schlüssel teilen, mit dem ihre Kunden fahren können, ohne den Schlüssel physisch austauschen zu müssen. Lynk and Co wurde von Volvo als eine digitale Alternative zu herkömmlichen Autos entwickelt. Das Konzept wurde inzwischen von Geely weiterentwickelt, dem chinesischen Autokonzern, der Volvo vor einem Jahrzehnt gekauft hat. Die Marke wurde vor drei Jahren in China eingeführt und ihre Autos werden bald in den Niederlanden und Schweden erhältlich sein, bevor sie in anderen europäischen Ländern eingeführt werden. Eine wachsende Zahl von Autofahrern entscheidet sich gegen herkömmliche Besitzmodelle und für ein Abonnement im Stil von Netflix. Volvo hat vor ein paar Monaten ein ähnliches Programm mit dem Namen „Care by Volvo“ eingeführt. Der Fahrer wählt eines der Modelle aus, abonniert es online und das Auto wird ihm geliefert. Die Abos gibt es bereits ab 600 Euro pro Monat. Der Hersteller ermutigt die Menschen, als Unternehmer zu agieren und vielleicht ihren eigenen Pkw-Klub zu gründen. Eine interessante Idee – aber eine mit Risiken und es erfordert richtiges Management.

Eine moderne Herangehensweise an das Recyceln

Abb. 6: T.H. de Larauze hat etwa 200 000 überholte Handys zum VerkaufAbb. 6: T.H. de Larauze hat etwa 200 000 überholte Handys zum VerkaufJedes neue iPhone ist etwas besser als sein Vorgänger und der Preis bleibt hoch. Die Leute lieben es, zu zeigen, dass sie das neueste Modell haben – aber was passiert mit dem Vorgänger, der noch einwandfrei funktioniert? Ein französischer Unternehmer, Thibaud Hugo de Larauze (Abb. 6), hat ein Unternehmen Back Market www.backmarket.com (ein cleveres Wortspiel mit dem Begriff „Black Market“) gegründet, das nicht nur Handys aufkauft und zum Verkauf anbietet (vor ein paar Wochen hatten sie etwa 200 000 auf Lager), sondern auch eine breite Palette anderer elektronischer Produkte.

 "Für Technik gibt es ein Leben nach dem Leben"

Ein ähnliches Geschäft ist Tradetech.com. Back Market überholt nicht selbst, was es verkauft, das wird von hunderten von Subunternehmern gemacht. Aber es bietet eine 1-Jahres-Garantie auf das, was es verkauft. Experten glauben, dass ca. 10 % der Handy-Verkäufe auf gebrauchte Modelle entfallen. Der Kunde hat die Wahl zwischen einem neuen, aber preiswerten Handy oder einem vielleicht 2 bis 4 Jahre alten Spitzenmodell mit einem Preisnachlass von bis zu 40 %. Ein ähnliches, aber kleineres Unternehmen ist die britische Tech.trade, und mit ziemlicher Sicherheit gibt es noch weitere. Die Botschaft ist, dass das Aufarbeiten von Handys und Computern ein großes Geschäft ist – und man erwartet, dass es wächst. Werden wir bereit sein, solche Geräte zu kaufen?

Künstliches Holz – ein neues Material?

Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben den ersten Schritt getan, um Holz zu erzeugen, ohne einen Baum wachsen zu lassen. Sie glauben, dass dies eines Tages helfen könnte, die Abholzung der Wälder zu reduzieren. Sie sagen, dass ihre erste Arbeit darauf hindeutet, dass sie eines Tages sogar in der Lage sein werden, die Form zu kontrollieren, in der das Holz wächst, was bedeutet, dass sie einen ganzen Tisch aus ein paar Zellen im Labor herstellen könnten, ohne dass eine Montage erforderlich ist. Das Team züchtete winzige holzähnliche Strukturen aus einer ersten Probe lebender Zellen, die es aus Zinnienblättern – einer Pflanze aus der Familie der Gänseblümchen – extrahierte, ohne dass dafür Erde oder Sonnenlicht benötigt wurde. Die extrahierten Zellen wurden dann in eine Flüssigkeit gelegt, die es ihnen ermöglichte, sich zu vermehren, bevor sie in ein Gel gebracht wurden, wo die Zellen auf die gewünschte Form abgestimmt werden konnten. Der Prozessablauf ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abb. 7: Prozessablauf und vergrößerte Darstellung der gewachsenen ZellstrukturAbb. 7: Prozessablauf und vergrößerte Darstellung der gewachsenen Zellstruktur

Das Gel fungiert als Gerüst und bietet den Zellen eine spezifische Struktur, in die sie hineinwachsen können. Wenn sie sich in holzähnliche Zellen verwandeln, verfestigt sich die Struktur zu einer starren Substanz, ähnlich wie Holz. Zwei Pflanzenhormone namens Auxin und Cytokinin im Gel steuern, wie viel Lignin die Zellen produzieren – eine Substanz, die dem Holz seine Festigkeit verleiht.

Das Team kann dieses Gel in jede beliebige Form bringen, so dass die Zellen dann eine holzähnliche Struktur in einer gewünschten Geometrie produzieren. Im Moment hat das Team nur winzige holzähnliche Strukturen von wenigen Zentimetern produziert, so dass die Herstellung größerer Objekte der nächste Schritt ist, ebenso wie das Experimentieren mit anderen Pflanzenzellen. Dies ist eine Wissenschaft, die die Forstwirtschaft der Welt verändern könnte – und vielleicht Land für den Anbau von Nahrungsmitteln freisetzen.

Quelle: (Open Access) Tunable plant-based materials via in vitro cell culture using a Zinnia elegans model, Ashley L. Beckwith u. a. Journal of Cleaner Production Bd 288 (2021) ss.125571

Ein Triumph des Mikro-Drucks

Abb. 8: Mikrogedrucktes BugsierschiffAbb. 8: Mikrogedrucktes BugsierschiffWissenschaftler haben das kleinste Boot der Welt geschaffen, das gerade einmal 30 Mikrometer misst. Es ist klein genug, um auf der Innenseite eines menschlichen Haares zu segeln. Trotz seiner mikroskopischen Größe sind Merkmale wie das offene Cockpit, Bullaugen und ein Schornstein deutlich zu erkennen. Das Boot (Abb. 8) wurde von Wissenschaftlern der Universität Leiden in den Niederlanden mit einem 3D-Drucker erstellt, um zu erforschen, wie sich Mikroschwimmer, wie Bakterien oder Spermien, durch Flüssigkeiten bewegen. Das Boot kann sich durch eine chemische Reaktion durch Flüssigkeit fortbewegen, indem es ein kleines Stück Platin verwendet, das mit Wasserstoffperoxid in der Umgebung reagiert, um eine Antriebskraft zu erzeugen.

Künstliche Mikroschwimmer gibt es bereits, aber sie werden normalerweise mit chemischen Methoden hergestellt, die zu einfachen Formen wie Stäben und Kugeln führen. Die Herstellung verschiedener Formen in diesem Maßstab kann es den Wissenschaftlern jedoch ermöglichen, das beste Design für synthetische Mikroschwimmer zu finden und festzustellen, wie sie sich am besten durch den Körper bewegen und für die Verabreichung von Medikamenten oder für die Diagnostik verwendet werden können.

Das Schleppermodell wird als 3D-Benchy (für Benchmark) bezeichnet und ist aufgrund seiner anspruchsvollen geometrischen Merkmale, wie Bullaugen und einer offenen Kabine, ein häufiger Test für 3D-Drucker. Um ein solch winziges Objekt auf einem 3D-Drucker zu erstellen, verwendete das Team einen Nanoscribe 3D-Mikrodrucker mit einem als 2PP (Zwei-Photonen-Polymerisation) bekannten Verfahren. Jede Schicht des Bootes wird im Inneren von Tröpfchen mit Material erzeugt, das durch den Einsatz von extrem präzisen Lasern aushärtet. Indem man den Laser kontrolliert durch das Tröpfchen bewegt, kann man die gewünschte Schwimmerform schreiben.

„Da der Druck im Inneren des Tröpfchens stattfindet und wir Schicht für Schicht drucken, können wir den offenen Raum im Inneren des Schlepper-Cockpits beibehalten“, sagt Frau Kraft, eines der Teammitglieder.

3D Benchy ist eine Struktur, die entwickelt wurde, um makroskopische 3D-Drucker zu testen, weil sie mehrere herausfordernde Eigenschaften hat, und es war selbstverständlich, sie auch im Mikrometermaßstab zu testen. Forscher auf der ganzen Welt befassen sich zunehmend mit winzigen Objekten, die in den Körper eingeführt werden und an eine gewünschte Stelle schwimmen können, um einen Bereich zu überwachen oder ein Medikament freizusetzen.

 "Winzige Roboter lernen zu laufen"

Wissenschaftler der Cornell University in den USA enthüllten im August, dass sie einen Weg gefunden haben, vier Beine an winzigen Computerchips zu befestigen, die sich biegen können, wenn sie von einem Laser beleuchtet werden, und so eine gehähnliche Bewegung erzeugen. Sie glauben, dass Millionen dieser winzigen cmit Beinen von der Breite eines menschlichen Haares bald dazu gebracht werden könnten, tatsächlich durch den menschlichen Körper zu laufen, um Hirntumore oder Krebszellen anzuvisieren, die sich in einer Position befinden, die für Chirurgen zu schwierig zu operieren ist – zum Beispiel, wenn ein Tumor an einem sehr empfindlichen Teil des Gehirns sitzt.

Rachel P. Doherty et al. Catalytically propelled 3D printed colloidal microswimmers. Soft Matter (2020), DOI: 10.1039/DOSMO1320J

Eine neuartige Membrane

Abb. 9: Scheibe der neuen Graphenoxid- Polymer-MembranAbb. 9: Scheibe der neuen Graphenoxid- Polymer-MembranAus Graphenoxid und polymeren Heterostrukturen wurde eine neuartige, selbst- organisierte Membran hergestellt, deren Durchlässigkeit für eine Reihe von Ionen stark mit dem pH-Wert variiert. Die Forscher glauben, dass sie für Anwendungen nützlich sein könnte, die von der Herstellung von Batterien bis zur Reinigung von radioaktivem Abfall reichen. Eine Probe der Membran ist in Abbildung 9 zu sehen.

Abstimmbare, selektiv durchlässige Membranen werden in der Natur häufig für chemische Signalübertragung und andere Zwecke verwendet. Nervenzellen verwenden Ionenpumpen und Ionenkanäle und Zellen nutzen sie, um spezifische Ionen zu selektieren. Synthetische, teilweise durchlässige Membranen sind jedoch weit weniger selektiv und steuern den Fluss normalerweise nur durch die Größe der Poren oder die relativen Konzentrationen der Lösungen auf beiden Seiten.

Dr. Novoselov und Kollegen von der National University of Singapore mischten eine Suspension von Graphenoxid-Flocken in das flüssige Polymer Polyethylenimin. Aufgrund von entropischen Effekten wurden die Flocken von dem Polymer bedeckt. Wurde das Lösungsmittel verdampft, blieb eine hochgeordnete, selbstorganisierte Membranstruktur aus abwechselnden Graphen- und Polymerschichten zurück. Zwischen einer konzentrierten Zuckerlösung und reinem Wasser platziert, war die Membran relativ undurchlässig. Als die Forscher jedoch Salzsäure hinzufügten, um den pH-Wert auf 2 zu senken, wurde die Polymerkette protoniert und die Osmose in die Zuckerlösung beschleunigte sich. „Unsere innere Struktur wirkt wie ein Säurereservoir“, erklärt Dr. Novoselov. Wasser strömt hinein und versucht, diese Säure zu verdünnen, und dieses Wasser wird auf der anderen Seite wieder herausgedrückt.

Anschließend untersuchten die Forscher die Durchlässigkeit der Struktur für Ionen. Hier waren die Ergebnisse komplexer: Wenn die Struktur lange Polyethylenimin-Ketten enthielt, war sie für alle untersuchten Ionen völlig undurchlässig. Strukturen, die kürzere Ketten desselben Polymers enthielten, ließen dagegen einige Ionenarten durch. Das Bild war jedoch rätselhaft, und die Forscher arbeiten noch daran, es vollständig zu erklären. Zum Beispiel konnten Cäsium-Ionen allein die Membran nicht passieren, aber wenn Kalium-Ionen hinzugefügt wurden, begannen sie die Membran zu durchqueren. Die Autoren merkten an, dass solche Ergebnisse von enormer Bedeutung sein könnten, zum Beispiel bei der Verabreichung von Medikamenten oder als Komponenten von ionischen Transistoren und in einer Vielzahl von Geräten. Die Technologie könnte auch als saubere Alternative zur Gewinnung von Lithium für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien oder zur Entfernung von Radiocäsium – einem wichtigen Nebenprodukt der Uranspaltung – aus dem Abwasser von Kernkraftwerken entwickelt werden.

Professor Vladimir Tsukruk vom Georgia Institute of Technology in den USA kommentierte diese Arbeit mit den Worten: „Ich hätte gedacht, dass die Eigenschaften dieser beiden Materialien bereits gründlich erforscht sind, aber es zeigt, dass man durch geschickte Kombination etwas Bemerkenswertes erreichen kann. Er wäre an weiteren Arbeiten über die Auswirkung der Ladung des Polymers auf die Permeabilität der Struktur interessiert. Wenn man Elektroden anbringen und sie elektronisch verändern könnte, wäre das für eine von außen gesteuerte Permeation wirklich interessant.“

Quelle: D. V. Andreeva et al, Nat. Nanotechnol., 2020, DOI: 10.1038/s41565-020-00795-y

 

Anschrift des Verfassers

Dr. Anselm T. Kuhn, c/o Metal Finishing Service Ltd., 105 Whitney Drive, Stevenage, Herts, SG14BL/GB.

Fax: +44/1438-906306, E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!

Die hier abgedruckten politischen Inhalte müssen nicht der Auffassung von Verlag und Redaktion entsprechen, sondern sind die persönliche Meinung des Verfassers.

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  • Ausgabe: 2
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Dr. Anselm T. Kuhn

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