Evanston (pte/28.06.2024/06:15)

Alessandro Rotta Loria von der Northwestern University (https://www.northwestern.edu/ ) nutzt für seinen neuen Beton statt klarem Wasser Sprudelwasser, also Wasser, das mit Kohlensäure versetzt ist und eine Prise Zement enthält. Das enthaltene CO2 wird so dauerhaft gebunden. Es reagiert mit dem Zement zu Kalziumkarbonat, das dem Beton zusätzliche Festigkeit verleiht und damit Rissbildungen vorbeugt. In Laborexperimenten zeigte sich, dass 45 Prozent des CO2, das auf diese Weise in den Beton eingebracht wurde, dauerhaft gebunden bleibt.

Massive Kohlenstoffsenken

"Wir entwickeln Techniken, die die mit der Herstellung von Baumaterial verbundenen CO2-Emissionen verringern und Zement und Beton schließlich in massive Kohlenstoffsenken verwandeln. So weit sind wir zwar noch nicht, aber wir haben jetzt eine neue Methode, um einen Teil des CO2, das bei der Zementherstellung freigesetzt wird, in eben diesem Material wiederzuverwenden. Unsere Lösung ist technologisch so einfach, dass sie für die Industrie relativ leicht umzusetzen sein dürfte", so Rotta Loria.

Erster Nutzer könnte CEMEX (https://www.cemex.com/ )im mexikanischen San Pedro Garza García sein, ein global agierendes Baustoffunternehmen, das sich dem nachhaltigen Bauen verschrieben hat und an der Entwicklung von Rotta Lorias Verfahren beteiligt war. "Zement reagiert mit CO2. Deshalb absorbieren Betonstrukturen auf natürliche Weise dieses Klimagas, doch nur einen kleinen Teil dessen, was bei der Herstellung des Zements frei wird", heißt es vom Baustoffentwickler.

CO2 aus der Luft gewonnen

Das wird bereits in zwei Verfahren genutzt. Zum einen werden Fertigteile aus Beton in Kammern gelegt, in denen bei hohem Druck eine hohe CO2-Konzentration herrscht. Hier bindet der darin enthaltene Zement Klimagas in kleinen Mengen. Möglich ist auch das Einblasen von CO2 in Frischbeton mit dem gleichen Ziel. Doch beide Verfahren sind wenig effizient und die Festigkeit des Betons leidet. Diese Nachteile hat das neue Verfahren nicht. Doch es gibt noch Spielraum für eine Optimierung. Das benötigte CO2 könnte mit bereits etablierten Techniken aus der Luft abgeschieden werden.

 

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Cambridge (pte/17.06.2024/11:30)

Vergleichbar mit dem Aufladen einer Batterie ist ein Verfahren zur Abscheidung von CO2 aus der Luft, das Forscher der University of Cambridge (https://www.cam.ac.uk/) entwickelt haben. Das Team um Chemiker Alexander Forse setzt Schwämme aus Aktivkohle ein, ein billig herzustellendes Material, das sich in nahezu beliebig großen Mengen herstellen lässt, um das Klimagas einzufangen. Allein die Reduzierung der Emissionen wird den Klimawandel nicht aufhalten, da sind sich fast alle Umweltexperten einig. Nötig ist die Abtrennung von CO2 aus der Luft, um das Gas endzulagern und damit dauerhaft aus der Atmosphäre zu entfernen.

Ionen als Lockmittel

Forse und sein Team haben Aktivkohleschwämme mit Ionen aufgeladen. Diese ziehen CO2-Moleküle an und binden sie an sich. Um sie wieder freizusetzen, damit sie endgelagert werden können, sind deutlich niedrigere Temperaturen nötig als bei bisher etablierten Verfahren. Damit könnte diese Technik nicht nur umweltverträglicher, sondern auch billiger sein, heißt es.

Aktivkohle wird in vielen Reinigungsanwendungen eingesetzt, etwa in Wasserfiltern. Normalerweise kann sie kein CO2 aus der Luft binden. Wenn sie aber mit Hydroxid-Ionen aufgeladen werden, wirkt das Material wie ein Schwamm für das Klimagas. Hydroxide sind Salze, die ein oder mehrere OH-minus-Anionen enthalten.

Temperaturen niedrig

Beim Aufladen einer Batterie werden Ionen in eine der Batterie-Elektroden eingeleitet. Ähnlich geht es beim Einfangen von CO2 zu. Die Forscher laden ein Aktivkohletuch mit Hydroxid-Ionen auf. Es ähnelt dann einer Elektrode einer Batterie. Die Hydroxid-Ionen sammeln sich dann in den winzigen Poren der Aktivkohle. Ist das Tuch mit CO2 gesättigt, wird es herausgewaschen. Nach der Trocknung kann das Tuch erneut eingesetzt werden.

"Das ist eine neue Art, Materialien mit einem batterieähnlichen Verfahren herzustellen. Die CO2-Abscheidungsraten sind vergleichbar mit denen herkömmlicher Materialien. Noch vielversprechender ist jedoch, dass diese Methode weit weniger energieintensiv ist, da wir keine hohen Temperaturen benötigen, um das CO2 abzuscheiden und das Aktivkohletuch zu regenerieren", so Forse.

Er kommt mit 90 bis 100 Grad Celsius aus, während andere Regenerationsverfahren bis zu 900 Grad benötigen. Da Aktivkohle elektrisch leitfähig ist, kann man einfach Strom hindurchschicken, um es zu erwärmen. Am besten nimmt man dazu grünen Strom, um die Umwelt zusätzlich zu schonen.

 

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Cambridge/Salzburg (pte/27.06.2024/11:33)

Forscher des Massachusetts Institute of Technology (https://www.mit.edu/ ) (MIT) und der Paris Lodron Universität Salzburg (https://www.plus.ac.at/) haben fortgeschrittene bildgebende Verfahren eingesetzt, um die ersten Momente des Werdens eines Schmetterlingsflügels mit seinen Schuppen in höchster Auflösung zu filmen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse dienen der Entwicklung neuer Oberflächen von Textilien, Gebäuden, Fahrzeugen und nahezu allen anderen Objekten mit maßgeschneiderten optischen, thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften.

Wasser wird abtransportiert

Laut den MIT-Forschern Peter So, Jörn Dunkel sowie Mathias Kolle trägt die gewellte Oberfläche der Schuppen dazu bei, Wasser abzutransportieren, Wärme zu leiten und Licht zu reflektieren, um dem Schmetterling seine charakteristischen Farben zu geben. Die Aufnahmen sind entstanden, als die Schmetterlinge begannen, ihre Puppen zu verlassen. Das Team hat kontinuierlich einzelne Schuppen aufgenommen, während sie aus der Flügelmembran herauswuchsen.

Die Bilder zeigen zum ersten Mal, wie sich die zunächst glatte Oberfläche einer Schuppe zu mikroskopisch kleinen, parallelen Wellen kräuselt. Diese kräuselnden Strukturen wachsen schließlich zu fein gemusterten Rippen heran, die die Funktionen einer erwachsenen Schuppe bestimmen. "Angesichts der Multifunktionalität von Schmetterlingsschuppen hoffen wir, diese Prozesse zu verstehen und nachzubilden, mit dem Ziel, neue Funktionsmaterialien nachhaltig zu entwickeln", so Kolle.

Die Aufnahme der Bilder haben bemerkenswertes Fingerspitzengefühl gefordert. Die Forscher schnitten die papierdünne Hülle der Puppe des Insekts vorsichtig auf und legten eine kleine Fläche frei. Diese bedeckten sie mit einem kleinen Glasobjektträger und setzten dann eine von So entwickelte Mikroskoptechnik ein, um kontinuierlich Bilder der Schuppen aufzunehmen, während sie sich verwandelten und ihre endgültige Form annahmen.

Distelfalter als "Versuchskaninchen"

Als "Versuchskaninchen" haben die Forscher aufgrund seiner Schuppenarchitektur den Distelfalter ausgewählt. Sie beobachteten, wie die Schuppen des Falters entlang einer Flügelmembran in präzisen, sich überlappenden Reihen wuchsen, wie Schindeln auf einem Dach. "Wir wollten auch lernen, wie die Natur die komplexen Strukturen herstellt. Wenn man eine faltige Oberfläche herstellen möchte, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich ist, dreht die Natur an zwei Reglern."

Den Experten nach werden dabei die Abstände geändert, in denen das Material fixiert wird, oder die Menge an Material, die zwischen den fixierten Abschnitten wächst. "Wir haben gesehen, dass der Schmetterling beide Strategien anwendet", heißt es abschließend. Jetzt will das Team seine Erkenntnisse in technische Oberflächen umsetzen.

 

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Salt Lake City (pte/19.06.2024/10:30)

Ein neues Verfahren von Forschern der University of Utah (https://www.utah.edu) bringt Medikamente gezielt an den Ort, wo sie wirken sollen. Das reduziert letztlich die zu verabreichende Dosis erheblich. Ultraschallimpulse setzen, wenn sie auf das Ziel ausgerichtet sind, die Medikamente von zirkulierenden Nanocarriern frei. Laut Erstautor Matthew G. Wilson wurde dafür ein Verfahren entwickelt, dass wiederholt stabile Nanocarrier herstellen und die Ultraschallparameter identifiziert, die sie aktivieren können. Bei den Nanocarriern handelt es sich um winzige Tröpfchen mit einem Durchmesser zwischen 470 und 550 Nanometern. Sie verfügen über eine hohle äußere Hülle, die aus Polymermolekülen besteht.

Unterschiedliche Enden

Die Polymere verfügen über zwei verschiedene Enden. Ein Ende ist hydrophil und vermischt sich gut mit wässrigen Lösungen wie Blut. Dieses Ende zeigt nach außen. Das hydrophobe Ende, das sich nicht mit Wasser verbindet, zeigt nach innen. Innerhalb der Hülle befindet sich ein innerer Kern aus hydrophobe Perfluorkohlenstoffen. Das sind Moleküle, die vorwiegend aus Fluor und Kohlenstoff bestehen. Sie werden mit einem genauso hydrophoben Medikament vermischt, an dem ein Interesse besteht.

Die Hüllen halten die Kerne voneinander getrennt und verhindern damit, dass sie sich zu einem einzelnen Tropfen verbinden. Zudem bilden sie eine Barriere gegen das Immunsystem. Dieser Effekt ist Mayonnaise sehr ähnlich. Hier bilden die Proteine der Eier Tröpfchen mit eingeschlossenen Ölen. Sonst würden sich Öl und Wasser vollständig voneinander trennen. Um das Medikament freizusetzen, nutzen die Forscher Ultraschall mit einer Frequenz, die über obere Grenze des menschlichen Hörvermögens liegt.

Test mit Affen erfolgreich

Der Ultraschallstrahl lässt sich quer über drei Dimensionen lenken. Damit wird eine Konzentration auf einen Bereich im Körper möglich, der nur über einen Querschnitt von wenigen Millimetern verfügt. Die Forscher wollen so die Perfluorkohlenstoffe dazu bringen, die Hülle der Tröpfchen zu dehnen und damit für das Medikament durchlässiger zu machen. Der Wirkstoff verbreitet sich dann, wenn erforderlich, auf Organe, Gewebe oder Zellen. Die Forscher haben die Effizienz der Wirkstoffverabreichung bei dem Sedativum und Anästhetikum Propofol in Hinblick bei drei verschiedenen Perfluorkohlenstoffen und zwar Perfluoropentane (PFP), Decafluoropentane (DFP) und Perfluorooctylbromid (PFOB) verglichen.

Der Ultraschall wurde eine Minute lang, in vitro, mit 60 Impulsen von 100 Millisekunden verabreicht. Dabei zeigte sich das beste Ergebnis bei den PFOB-Kernen. Für das Testen der Sicherheit des Verfahrens wurden einem Langschwanzmakaken im Abstand von einer Woche sechs Dosen entsprechender Nanotröpfchen verabreicht. Biomarker für Leber, Nieren und auch die Immunantwortfunktion wurden überprüft. Die Nanotröpfchen wurden von dem Tier gut vertragen, es gab keine nachweisbaren Nebenwirkungen. Diese Tests müssen mittels Microdosing oder Phase-I-Studien mit menschlichen Freiwilligen wiederholt werden. Details sind in "Frontiers in Molecular Biosciences" nachzulesen.

 

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