Wissenschaftliche Höhepunkte – Online-Jahresbericht 2017


Optimierter Stofftransport in Minikanal-Reaktoren

Minikanal-Reaktoren mit einem keramischen Wabenkatalysator werden heute millionenfach zur Abgasreinigung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Aufgrund ihrer hervorragenden strömungsmechanischen und reaktionstechnischen Eigenschaften finden sie zunehmend auch Anwendung für Gas-Flüssig-Reaktionen in der chemischen Industrie. Ein Problem von Gas-Flüssig-Reaktoren ist jedoch die schlechte Löslichkeit von gasförmigen Reaktanten wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Vibrationen können helfen, den Übergang der Gase in die Flüssigphase erheblich zu verbessern.

Als Teil des DFG-Schwerpunktprogramms 1506 „Transport Processes at Fluidic Interfaces“ (Transportprozesse an flüssigen Grenzflächen) widmeten sich Wissenschaftler am HZDR der Taylor-Blasenströmung in Minikanälen. Die Forscher konnten zeigen, dass eine elektromechanische Anregung der Kanäle die Stofftransportraten um bis zu 186 Prozent steigern kann.

Für ihre Untersuchungen ermittelten die Forscher zunächst mit hochauflösender Röntgen-Mikrotomographie präzise und dreidimensional die Taylor-Blasenformen und die Filmdicken-Profile in runden und in eckigen Minikanälen. Die Messdaten dienten als Grundlage für die Überprüfung verschiedener numerischer Simulationsverfahren. In weiteren Experimenten untersuchten die Wissenschaftler den Stofftransport an hydraulisch fixierten Einzelblasen aus Kohlendioxid und Sauerstoff, mit und ohne Zugabe oberflächenaktiver Substanzen.

Mithilfe der Daten aus diesen Experimenten gelang es den Forschern, umfassendere Modelle für den Stofftransport zu entwickeln und deren Gültigkeit unter Beweis zu stellen. In einem Schlüsselexperiment untersuchten die HZDR-Forscher den Stofftransport an einzelnen Taylor-Blasen in einem runden Einzelkanal, den sie mechanisch in Schwingungen versetzten. Die Deformierung der Taylor-Blase wurde, zusätzlich zum Röntgen-Messverfahren, per Hochgeschwindigkeits-Mikroskopie erfasst. Dadurch konnten die Forscher auch den grundlegenden Mechanismus erklären, der den Stofftransport verbessert: An der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit werden durch die Vibrationen schraubenförmige Kapillarwellen ausgelöst.


Wie nehmen Pflanzen Nanopartikel aus der Umwelt auf?

Aufnahme von Cerdioxid-Nanopartikeln in Pflanzen (1) ©Copyright: Dr. Schymura, Stefan

Verteilung markierter
Nanopartikel entlang
der Wasseradern im
Blatt vor und ... 

Foto: Stefan Schymura

Aufnahme von Cerdioxid-Nanopartikeln in Pflanzen ©Copyright: Dr. Schymura, Stefan

nach der Auflösung

Foto: Stefan Schymura

In vielen Produkten und industriellen Verfahren werden Nanopartikel eingesetzt. Noch weitgehend ungeklärt ist jedoch, welche Risiken sich daraus für Mensch und Umwelt ergeben können. HZDR-Forscher untersuchten anhand von radioaktiv markierten Cerdioxid-Nanopartikeln, wie solche Partikel von Pflanzen aufgenommen werden: Nanoskaliges Cerdioxid wird zum Beispiel als Zusatzstoff für Dieseltreibstoffe, in Abgaskatalysatoren oder als UV-absorbierender Lackzusatz verwendet. Die von den Forschern eingesetzte Methode ermöglicht es wegen ihrer hohen Sensitivität, sehr geringe Expositionsmengen zu untersuchen, wie sie in der Realität zu erwarten sind.

Um zwischen der Aufnahme ganzer Partikel und gelöster Substanz unterscheiden zu können, stellten die Forscher zwei verschiedene Arten von chemisch-physikalisch identischen Nanopartikeln her: Im ersten Fall war das radioaktive Nuklid Cer-139 gleichmäßig in den Partikeln verteilt. Dafür wurden die Cerdioxid-Nanopartikel mittels Protonenstrahlung direkt aktiviert. Im zweiten Fall war das Nuklid Cer-139 oberflächennah konzentriert. Dazu ließen die Wissenschaftler das radioaktive Nuklid bei erhöhter Temperatur in die Cerdioxid-Partikel eindiffundieren.

Am Beispiel von Weidelgras und Sonnenblumen konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass die Pflanzen vornehmlich ganze Partikel aufnehmen. Autoradiographische Aufnahmen von den Sonnenblumen-Blättern zeigten zudem, dass die aufgenommenen Nanopartikel zunächst im Ganzen innerhalb der Pflanze transportiert werden, um sich dann über einen längeren Zeitraum langsam aufzulösen und gleichmäßig im Gewebe der Blätter zu verteilen.

Auch wenn sich das Ergebnis nicht ohne weiteres auf beliebige andere Partikel verallgemeinern lässt, zeigt die Arbeit jedoch deutlich, dass für eine realistische Abschätzung der Umweltrisiken von Nanotechnologien auf umfassende und systematische Untersuchungen der spezifischen Aufnahmewege nicht verzichtet werden kann und mit der Radiomarkierung eine starke Methodik zur Prozessaufklärung zur Verfügung steht.


Magnetische Frustration macht Kristalle superflüssig und supersolid

Darstellung Spinell-Verbindung ©Copyright: V. Tsurkan

Mangan-Chrom-Sulfid hat die für
Spinelle typische Kristallstruktur.
Durch ein starkes äußeres
Magnetfeld können die Gitter-
Substrukturen entkoppelt werden.

Foto: V. Tsurkan

Kann ein Material zugleich fest und flüssig sein? Die theoretische Physik sagt solche „supersolide“ Phasen seit über 50 Jahren voraus. Der endgültige experimentelle Nachweis steht zwar noch aus, doch Wissenschaftler des HZDR und der Universität Augsburg haben jetzt deutliche Hinweise darauf gefunden, dass es solche Zustände tatsächlich gibt: In einem Mangan-Chrom-Schwefelkristall fanden sie äußerst ungewöhnliche Spin-Ordnungen, die aufgrund sogenannter „magnetischer Frustration“ entstehen.

Frustrierte Magnete stellen einen vielversprechenden Weg dar, um exotische Quantenzustände zu erzeugen – beispielsweise Spin-Flüssigkeiten, Spin-Eis oder komplexe Spin-Moleküle. In einem externen Magnetfeld können sich definierte Spin-Muster ausbilden, die durch feldinduzierte Störungen stabilisiert werden.

Im Mangan-Chrom-Sulfid (MnCr2S4) richten sich die Mangan-Spins im Austauschfeld der Chrom-Spins annähernd antiparallel aus. Untereinander zeigen die Mangan-Spins jedoch aufgrund von magnetischen Frustrationen einen sehr komplexen Grundzustand, der sich als superfluide Phase charakterisieren lässt.

Die Magnetisierungs- und Ultraschall-Experimente im untersuchten Material bei bis zu 60 Tesla offenbarten zwei überraschende Eigenschaften: Erstens zeigte sich ein sehr robustes Magnetisierungsplateau mit einer ungewöhnlichen Spinstruktur. Zweitens wurden zwei Übergangsphasen beobachtet, die auf ein mögliches Auftreten supersolider Phasen hindeuten.

Das Magnetisierungsplateau entspricht der vollen Polarisierung aller Chrom-Momente ohne Beteiligung von Mangan. Bei 40 Tesla – in der Mitte des Plateaus – breiten sich Schallwellen nahezu verlustfrei aus: Das externe Magnetfeld kompensiert hier exakt das Chrom-Mangan-Austauschfeld, so dass Chrom- und Mangan-Subgitter entkoppelt werden. In Analogie zu Vorhersagen der Quanten-Gitter-Gas-Modelle lassen sich die Änderungen der Spin-Ordnung der Mangan-Ionen an den Grenzen des Magnetisierungs-Plateaus als Übergänge zu supersoliden Phasen interpretieren.


Im Inneren von Gasplaneten entstehen Diamanten

Grafik Diamantregen Neptun ©Copyright: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Im Neptun ist der Druck so hoch,
dass Kohlenstoff-Verbindungen
sich zu Diamant umwandeln.

Foto: Greg Stewart / SLAC
National Accelerator Laboratory

Die großen Eisplaneten unseres Sonnensystems – Neptun und Uranus – enthalten Spuren von Kohlenwasserstoffen wie Methan in ihrer Atmosphäre und in ihrem Inneren werden noch weitaus größere Mengen davon vermutet. Seit Jahrzehnten spekulieren Astrophysiker, welche Prozesse in diesen Planeten ablaufen: Mit wachsendem Druck und steigender Temperatur sollten sich zunächst komplexe Kohlenwasserstoffe wie Polymere bilden. Bei vollständiger Abspaltung des Wasserstoffs kann reiner Kohlenstoff in Form von Diamant entstehen, der aufgrund seiner Dichte weiter ins Innere des Planetenkerns absinken sollte.

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) gelang es jetzt erstmals, diese Prozesse experimentell nachzuweisen: Gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und den USA konnten sie zeigen, dass sich unter Bedingungen, wie sie in den Eisriesen unseres Sonnensystems herrschen, tatsächlich „Diamantregen“ bildet.

Am Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) in Kalifornien setzten sie Polystyrol – einen festen Kohlenwasserstoff mit der Summenformel (C8H8)n – dynamischen Drücken bis etwa 150 Gigapascal und Temperaturen um 5.000 Kelvin aus. Vergleichbare Bedingungen sind etwa 10.000 Kilometer unter den planetaren Oberflächen von Neptun und Uranus zu erwarten. Mithilfe des ultrastarken Röntgenlasers am SLAC konnten die Forscher per Röntgendiffraktion den Prozess der Phasentrennung mit Abspaltung von Wasserstoff und Bildung von Diamanten „in situ“ beobachten. Dabei konnten sie zeigen, dass sehr hohe Drücke erforderlich sind, um die Separation von Kohlenstoff und Wasserstoff einzuleiten.

Das lässt darauf schließen, dass die Diamantenbildung etwa zehnfach höhere Drücke erfordert als bisher anhand statischer Untersuchungen angenommen. Die Ergebnisse helfen, die Masse-Radius-Verhältnisse kohlenstoffhaltiger Exoplaneten genauer zu bestimmen, sie liefern Randbedingungen für ihre innere Schichtstruktur und tragen dazu bei, die Entstehungsmodelle für Neptun und Uranus zu verbessern, weil hierin die Kohlenstoff-Wasserstoff-Trennung den konvektiven Wärmetransport beeinflussen kann.


Kopf-Hals-Tumoren: Therapieresistenzen früher erkennen

FMISO-PET-Bildgebungsmethode ©Copyright: NCT Dresden/ Philip Benjamin, Anna Bandurska-Luque

Mit der FMISO-PET-Bildgebungs-
methode lässt sich die Wirkung
der kombinierten Radio-Chemo-
therapie bei Patienten mit Kopf-
Hals-Tumoren frühzeitig
vorhersagen. 

Foto: NCT Dresden / Philip
Benjamin, Anna Bandurska-
Luque

Sauerstoffmangel in Tumorzellen ist mit einem schlechteren Erfolg der Strahlentherapie und einer geringeren Wirksamkeit vieler Krebsmedikamente, potenziell auch der Immuntherapie, verbunden. Dieser Zusammenhang ist seit langem bekannt. Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, Patienten mit hypoxischem Tumorgewebe möglichst im Vorfeld oder frühzeitig während der Therapie zu identifizieren. In einer Studie konnten Wissenschaftler des HZDR und des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus zeigen, dass eine nach Beginn der Radiochemotherapie fortbestehende Hypoxie in den Tumorzellen als schlechtes prognostisches Zeichen anzusehen ist. In die Studie waren insgesamt 50 Patienten mit einem Plattenepithel-Karzinom eingeschlossen.

Durch Analyse der Studiendaten gelang den Wissenschaftlern jetzt der Nachweis, dass sich die Positronen-Emissions-Tomographie mit [18F]-Fluoromisonidazol (FMISO-PET) zwei Wochen nach Therapiestart als Biomarker für die frühzeitige Erkennung von therapieresistenten Tumoren eignet.

Von den 50 Patienten waren FMISO-PET- und Computertomographie-Aufnahmen zu vier verschiedenen Zeitpunkten vor und während der kombinierten Strahlentherapie und Chemotherapie- angefertigt worden. Die größten Änderungen des FMISO-PET-Signals im Verlauf des sechs- bis siebenwöchigen Therapieschemas waren in den ersten ein bis zwei Wochen zu erkennen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass jene Patienten, die zwei Wochen nach dem Therapiestart im FMISO-PET einen anhaltenden Sauerstoffmangel im Tumorgewebe aufwiesen, insgesamt schlechter auf die Therapie ansprachen. Sie hatten ein erhöhtes Risiko, Rezidive am Ort des Primärtumors zu entwickeln.

Mithilfe dieses am Dresdner OncoRay-Zentrum entwickelten Biomarkers für Plattenepithel-Karzinome im Kopf-Hals-Bereich können künftig Hochrisikopatienten frühzeitig identifiziert werden, um sie beispielsweise in Therapie-Intensivierungsstudien einzuschließen. Diese Studien werden aktuell am Universitätsklinikum vorbereitet.