Japanisches Core-to-Core-Programm

Zwei Doktoranden profitieren von Forschungsaufenthalt am Hamaguchi Lab, Center for Atomic and Molecular Technologies, Osaka University, Osaka

Von Oktober bis Dezember 2019 konnte ich im Labor von Prof. Satoshi Hamaguchi am Center for Atomic and Molecular Technologies in Osaka, Japan, mitarbeiten.

Mein Forschungsgebiet ist die angewandte Mikrobiologie und mein Fokus liegt auf biokatalytischen Reaktionen mit nicht-thermischen Plasmen.

Mit Hilfe von numerischen Simulationen habe ich die Ausbreitung von plasmainduzierten reaktiven Spezies in Flüssigkeiten untersucht, um einen Einblick in die Eindringtiefe und Konzentration dieser Spezies zu erhalten. Dieses Wissen wird helfen, die Wechselwirkung zwischen Plasmen und Enzymen zu verstehen, die im Projekt B8 des SFB 1316 untersucht werden, speziell um die Enzyme vor Inaktivierung zu schützen und die Biokatalyse voranzutreiben.

Der Forschungsaufenthalt in Japan war sehr hilfreich, um mein Wissen für meine Hauptforschungsfrage zu vertiefen.

adaptiert nach Abdulkadir Yayci, Projekt B8 des CRC 1316

Ich habe für 3 Monate die Hamaguchi Laboratorien an der Universität Osaka in Japan besucht. Der Laboraustausch wurde teilweise durch den SFB 1316 und das JSPS core-to-core Programm finanziert. Die Gruppe von Prof. Satoshi Hamaguchi entwickelte eine Reaktions-Diffusions-Konvektions-Simulation für die Erzeugung und den Transport von chemischen Spezies in Wasser, die durch Atmosphärendruck-Plasma eingeführt werden. Während meines Aufenthaltes arbeitete ich an einem mehrphasigen Fluidmodell. Das typische Strömungsfeld eines turbulenten Atmosphärendruck-Plasmastrahls in unmittelbarer Nähe einer Flüssigkeit wurde durch Lösung eines k-Epsilon-Turbulenzmodells modelliert. Für die gekoppelte Strömung von gasförmiger und flüssiger Phase wurde eine Volume-of-Fluid (VOF) Methode angewendet. Die Simulationen stimmen sehr gut mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur überein. Die Ergebnisse aus den Strömungssimulationen wurden in die Reaktions-Diffusions-Konvektions-Gleichungen integriert, um den Einfluss verschiedener Strömungsregime auf die Erzeugung und den Transport chemischer Spezies in der Flüssigkeit zu bewerten.

An der Universität Bochum arbeite ich als Doktorand im Projekt B5 des SFB 1316: 2D-Plasma-Flüssig-Fest-Grenzflächen - plasma-elektrolytische Oxidation. Die generierten Ergebnisse können für dieses Projekt im Hinblick auf die Generierung chemischer Spezies innerhalb von Flüssigkeiten nützlich sein. Darüber hinaus ist das Strömungsmodell auch für andere Gruppen interessant, die sich mit Atmosphärendruckplasmen beschäftigen (z.B. Projekt B2: Selbstorganisation von sub-µm Oberflächenstrukturen, stimuliert durch mikroplasmaerzeugte reaktive Spezies und kurz gepulste Laserbestrahlung).

Zusammenfassend kann ich sagen, dass ich einen sehr angenehmen Aufenthalt in Osaka hatte, den ich persönlich sehr genossen habe. Die Zusammenarbeit mit den Hamaguchi Laboratories war sehr fruchtbar und alle waren während meines Aufenthaltes sehr freundlich.

adaptiert nach Patrick Hermanns, Projekt B5 des CRC 1316

Eickhoff preis

Dr.-Ing. Schmidt wird für seine herausragende Dissertation ausgezeichnet

Technische Plasmen gehören zu den Dingen, die die Welt um uns herum maßgeblich beeinflussen, ohne dass viele davon wissen. „Man kann zum Beispiel Oberflächen mit Plasmen bearbeiten; entscheidend aber sind sie in der Herstellung moderner Computerchips, die in fast allen modernen technischen Geräten verbaut sind – vom Auto bis zum Smartphone“, verdeutlicht Frederik Schmidt. „Ein besseres Verständnis dieser Technik führt zu Innovationen, die unser Leben erleichtern, Menschen vernetzen und unsere Zukunft prägen.“

In seiner Dissertation hat er untersucht, wie die Energie in ein Plasma gelangt. Der Weg von der Steckdose zu nanometergroßen Halbleiterbahnen wird von verschiedenen Spezialisten untersucht und ist teils gut verstanden. Frederik Schmidt hat zwei dieser Spezialgebiete zusammengeführt: das elektrische Netzwerk zwischen Steckdose und Plasma zum einen, und detaillierte Plasmasimulationen zum anderen. Das erlaubt es, den Zusammenhang zwischen beiden zu untersuchen. „Ich habe beispielsweise betrachtet, auf welchen Wegen die Energie fließt und wie viel auf dem Weg ins Plasma verloren geht. Das ist teilweise eine ganze Menge“, so der Forscher. Die Ergebnisse helfen, Anlagen und Aufbauten effizient zu gestalten und so sparsamer und ökologischer zu machen. Darüber hinaus hat er ein eigenes elektrisches Netzwerk entwickelt, das für bestimmte Anwendungen mit deutlich weniger Aufwand und Verlusten umgesetzt werden kann als bisher. „Ich konnte theoretisch zeigen, dass das funktioniert. Kollegen in Frankreich konnten dann in Experimenten nachweisen, dass es auch praktisch möglich ist, so etwas zu bauen", sagt Schmidt.

Meike Drießen, RUB

Forschungsarbeit

Entschlüsselung der ns-Plasmaphysik von Streamern in Wasser

Die Spektren werden durch das Schwarzkörperkontinuum von der heißen Wolframoberfläche und Linienemissionen der Wasserstoff-Balmer-Reihe dominiert. Für die Wolframoberfläche werden typische Temperaturen von 6000K bis 8000K erreicht, was der Siedetemperatur von Wolfram bei unterschiedlichen Wolfram-Dampfdrücken entspricht. Die Analyse des Zündvorgangs und der damit einhergehenden spektralen Merkmale weisen darauf hin, dass das Plasma durch Feldionisation von Wassermolekülen an der Elektrodenoberfläche initiiert wird. Am Ende des Pulses kann es zur Feldemission von Elektronen kommen. Während des Plasmapulses wird postuliert, dass sich das Plasma lokal an der Elektrodenoberfläche zusammenzieht und einen Hot Spot bildet. Dies verursacht einen charakteristischen Beitrag zur Kontinuumsemission bei kleinen Wellenlängen. Die Spektren zeigen auch ausgeprägte Emissionslinien der Wasserstoff-Balmer-Reihe.

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten sind eine wichtige Methode zur Auslösung der Wasserchemie für die Elektrolyse oder für biomedizinische Anwendungen in der Plasmamedizin. Für das Verständnis dieser chemischen Prozesse ist es wichtig, die Variation der Temperaturen in diesen dynamischen Plasmen zu kennen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekunden-gepulsten Plasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) bei 20 kV und Pulslängen von 15 ns erzeugt werden, die an eine Wolframspitze mit 50 Mikrometer Durchmesser angelegt werden, die in Wasser eingetaucht ist. Die Plasmaemission wird mittels optischer Emissionsspektroskopie (OES) im Bereich von UV-Wellenlängen von 250nm bis zu sichtbaren Wellenlängen von 850nm bei einer hohen zeitlichen Auflösung von 2 ns analysiert.

Die Plasmastrahlung wird mit Hilfe der optischen Emissionsspektroskopie analysiert.

Die Daten deuten auf zwei Beiträge der Wasserstofflinienstrahlung hin, die sich hinsichtlich des Grades der Selbstabsorption unterscheiden. Es wird postuliert, dass ein Beitrag aus einer Rekombinationsregion mit starker Selbstabsorption und ein Beitrag aus einer Ionisationsregion mit sehr geringer Selbstabsorption stammt. Die Emissionslinien aus der Ionisationsregion werden unter der Annahme einer Stark-Verbreiterung ausgewertet, was Elektronendichten bis zu 5 x 10^25 m^-3 ergibt. Die Entwicklung der Elektronendichte folgt dem gleichen Trend wie die zeitliche Entwicklung der an der Wolframspitze angelegten Spannung. Der Ausbreitungsmechanismus des Plasmas ähnelt dem eines positiven Streamers in der Gasphase, obwohl in der flüssigen Phase Feldeffekte wie der Elektronentransport durch Tunneln eine wichtige Rolle spielen sollten.

Auffallend ist, dass die Elektronendichte der an der Elektrode angelegten Spannung während der steigenden und fallenden Flanke des Pulses eng folgt. In Nanosekundenplasmen in Gasen bei Atmosphärendruck weisen Spannung und Strom normalerweise eine Verzögerung auf, wobei die Spannung zuerst ansteigt, gefolgt vom Strom aufgrund des verzögerten Aufbaus der Elektronendichte in der Ionisationslawine. Während der Plasmaausbreitung in der Flüssigkeit ist die Dichte der Spezies jedoch um drei Größenordnungen höher, so dass der Aufbau der Ladungen im Vergleich zur Änderung der Spannung viel schneller erfolgen dürfte. Das Gleiche gilt auch für die Rekombination, die bei diesen Dichten Zeitkonstanten in der Größenordnung von ps aufweisen sollte. Die tatsächliche Elektronendichte ist dann ein Gleichgewicht zwischen der Erzeugung von freien Elektronen in den hohen elektrischen Feldern und deren Verlust durch Rekombination. Dies ist konsistent mit der Beobachtung, dass die Elektronendichte auch der Abnahme der Spannung mit einer Zeitkonstante von 8 ns folgt. Der Zerfall der Elektronendichte ist kein freier Zerfall aufgrund von Rekombination, sondern folgt einem abnehmenden Gleichgewichtswert als Konkurrenz zwischen Ionisation und Rekombination.

Öffentliche Forschungsaktivitäten

"Mobiler Plasma Workshop" für Oberstufenschüler*innen abgeschlossen

Der letzte Arbeitsschritt für das aktuelle Projekt der Öffentlichkeitsarbeit ist abgeschlossen. Der Plasma-Truck, also die mobile Werkstatt für Schüler*innen, richtet sich an Physikkurse der letzten beiden Schuljahre.

Das didaktische Konzept des Workshops ist die Vertiefung des vorhandenen Wissens durch die Verknüpfung der bereits bekannten Physik mit Konzepten aus der Plasmaphysik. Das Konzept wurde zusammen mit der Arbeitsgruppe Physikdidaktik von Prof. Krabbe an der Fakultät für Physik und Astronomie der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Im Rahmen einer Masterarbeit analysierte Jasmin Schmidt das vorhandene Wissen der Schüler*innen über Plasmen. Dabei stellte sie fest, dass viele Experimente und Beschreibungen von Phänomenen im Unterricht behandelt wurden, die aber nicht mit Plasmen in Verbindung gebracht wurden.

Hier greift der Workshop die bekannten Experimente auf und ordnet sie neu ein. Anschließend können interessierte Schulklassen in und um Bochum den Workshop für einen Zeitraum von 90 Minuten buchen. Am Tag des Workshops werden Mitarbeiter der Öffentlichkeitsarbeit sowie studentische Hilfskräfte die Schulklasse besuchen. Zur Einführung in das Thema wird ein kurzer Film produziert. Anschließend haben die Schüler*innen die Möglichkeit, die Experimente selbständig in Kleingruppen zu bearbeiten. Ein Begleitheft mit Informationen zu den Experimenten führt durch den Workshop. Erste Gruppen können den Workshop nach den Sommerferien ausprobieren, falls die Covid-19-Maßnahmen dies zulassen.

Maike Kai & Marina Prenzel, Öffentlichkeitsarbeit CRCs

Erfolgreiche Zusammenarbeit der Projekte B1 & B7 des SFB 1316

Aufbau einer µs-gepulsten Plasmaquelle in Flüssigkeiten am FHI, Berlin

Im Rahmen der Kooperation zwischen den Projekten B1 und B7 des SFB 1316 wurde der gesamte Aufbau für µs-gepulste Plasmen in Flüssigkeiten von Bochum an die FHI in Berlin transferiert. Anschließend, vom 17. bis zum 21. Februar 2020, besuchte die Doktorandin Katharina Grosse aus dem Projekt B7 die Gruppe von Prof. Roldan Cuenya in Berlin, um mit dem dortigen Doktoranden Philipp Grosse aus dem Projekt B1 das Experiment aufzubauen. Die Kooperation zwischen diesen Projekten soll die Frage klären, ob und wie katalytische Oberflächen, die in der Elektrochemie eingesetzt werden, durch eine Entladungsbehandlung im Elektrolyten wiederhergestellt werden können. Mit dem Umzug des Experiments von Bochum nach Berlin und ersten Messungen ist der erste Schritt getan, um den Einfluss der im Plasma erzeugten Spezies in der Flüssigkeit auf die Katalysatoren zu untersuchen.

adaptiert nach Katharina Grosse, Projekt B7 des SFB 1316

SFB 1316 Sommer-meeting

Sommer-Meeting wird als Online-Meeting abgehalten

Das diesjährige Sommertreffen des SFB 1316 wird am 30. Juni und 1. Juli als Online-Meeting via Zoom abgehalten. Im Mittelpunkt des Treffens steht unter anderem die Vorbereitung der zweiten Förderphase. Die Forscher werden ihre Projektfortschritte und Ideen für die Weiterführung des Projekts vorstellen.

Die endgültige Agenda steht nun fest. Sollten sich noch Änderungen ergeben, wird die aktualisierte Agenda hier veröffentlicht.

Projektbereich AB-Treffen

Projektmeeting findet jetzt online statt

Da sich durch die aktuelle COVID-19-Situation der Arbeitsalltag verändert hat, wird auch der Sitzungsablauf des SFBs angepasst. Das nächste Projektbereichstreffen für die beiden Projektbereiche A und B, das ursprünglich als Vor-Ort-Treffen in Berlin geplant war, wird nun in ein virtuelles Treffen am 1. und 2. April umgewandelt.

Um einen reibungslosen Ablauf des Meetings zu ermöglichen, wurde das System in dieser Woche getestet und es wurden Best-Practice-Regeln für virtuelle Meetings aufgestellt. Dies sollte es allen Projekten ermöglichen, ihre aktuelle Arbeit zu präsentieren und zu diskutieren, obwohl sie von zu Hause aus arbeiten. Da virtuelle Meetings oft als anstrengender empfunden werden als Meetings vor Ort und es schwieriger ist, sich über einen längeren Zeitraum zu konzentrieren, wurde die Präsentationszeit auf 15 Minuten mit einer zusätzlichen 5-minütigen Diskussion geändert.

Project B8 - Biotechnologie

Plasmen treiben die Biokatalyse an

Ein Bochumer Forschungsteam hat eine neue Methode entwickelt, katalytisch aktive Enzyme anzutreiben.

Die Katalyse durch Enzyme hat gegenüber traditionellen chemischen Verfahren viele Vorteile – aber auch Schwachstellen. So sind manche Enzyme nicht sehr stabil. Enzyme, die Wasserstoffperoxid umsetzen, werden sogar durch hohe Konzentrationen des Substrates inaktiviert. Ein Forschungsteam der RUB hat gemeinsam mit internationalen Partnern ein Verfahren entwickelt, bei dem der Ausgangsstoff Wasserstoffperoxid den Biokatalysatoren mithilfe von Plasma kontrolliert zugeführt wird. Die Enzyme selbst sind durch eine Pufferschicht vor schädlichen Bestandteilen des Plasmas geschützt. Anhand zweier Modellenzyme konnte das Team zeigen, dass das Verfahren funktioniert, wie die Zeitschrift „ChemSusChem“ vom 5. Februar 2020 berichtet.

Mildere Bedingungen, weniger Energieverbrauch und Abfall

Gegenüber traditionellen chemischen Verfahren hat die Biokatalyse viele Vorteile: Die Reaktionsbedingungen sind meist deutlich milder, der Energieverbrauch niedriger und es entsteht weniger toxischer Abfall. Durch die hohe Spezifität von Enzymen ergeben sich außerdem weniger Nebenreaktionen. Manche Feinchemikalien können sogar nur durch Biokatalyse synthetisiert werden.

Die Schattenseite der Biokatalyse mithilfe von Enzymen ist die geringe Stabilität mancher Enzyme. „Da das Enzym in diesen Fällen oft ersetzt werden muss, was teuer ist, ist es enorm wichtig, die Stabilität unter Produktionsbedingungen zu erhöhen“, erklärt Erstautor Abdulkadir Yayci vom Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie von Prof. Dr. Julia Bandow.

Wasserstoffperoxid: notwendig, aber schädlich

Das Forschungsteam hat sich mit zwei ähnlichen Enzymklassen beschäftigt: Peroxidasen und Peroxygenasen. Beide verwenden Wasserstoffperoxid als Ausgangsstoff für Oxidationen. Das entscheidende Problem ist, dass Wasserstoffperoxid zwar für die Aktivität absolut notwendig ist, aber in höheren Konzentrationen zum Aktivitätsverlust der Enzyme führt. Speziell für diese Enzymklassen ist es daher sehr wichtig, Wasserstoffperoxid dosiert zuzuführen.

Um das zu bewerkstelligen, untersuchten die Forscherinnen und Forscher Plasmen als Quelle für Wasserstoffperoxid. In der Arbeit konnte das Team zeigen, dass dieses System prinzipiell funktioniert. Gleichzeitig gelang es, die Schwachstellen der Plasmabehandlung zu identifizieren. Die Arbeitsgruppe konnte die Reaktionsbedingungen verbessern, indem sie das Enzym an ein inertes Trägermaterial band. Dadurch entsteht über dem Enzym eine Pufferzone, in der die hochreaktiven Plasma-Spezies abreagieren können, ohne dem Enzym zu schaden.

Biokatalytische Reaktionen mit plasma-generiertem Wasserstoffperoxid sind möglich

In der Arbeit, in der die Meerrettichperoxidase als eines der Modellenzyme diente, konnte das Team zeigen, dass dieses System prinzipiell funktioniert. Gleichzeitig gelang es, die Schwachstellen der Plasmabehandlung zu identifizieren: „Die Plasmabehandlung greift auch direkt die Enzyme an und inaktiviert sie, höchstwahrscheinlich durch die hochreaktiven, kurzlebigen Spezies in der plasma-behandelten Flüssigkeit“, beschreibt Abdulkadir Yayci. Die Arbeitsgruppe konnte die Reaktionsbedingungen verbessern, indem sie das Enzym an ein inertes Trägermaterial band. Dadurch entsteht über dem Enzym eine Pufferzone, in der die hochreaktiven Plasma-Spezies abreagieren können, ohne dem Enzym zu schaden.

An einem zweiten Enzym, der unspezifischen Peroxygenase aus dem Pilz Agrocybe aegerita, prüften die Forscher dann ihren Ansatz. Diese Peroxygenase kann hochselektiv eine Vielzahl von Substraten oxidieren. „Wir konnten zeigen, dass diese Spezifität auch unter Plasmabehandlung erhalten bleibt und hochselektive biokatalytische Reaktionen mithilfe von Plasma möglich sind“, fasst Julia Bandow zusammen.

geschrieben von Maike Drießen, RUB