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Biomimetic Ultrathin Structures as a Multipurpose Platform for Nanotechnology-Based Products

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Natürliche Zellmembranen mit Nanomembranen nachahmen

EU-finanzierte Wissenschaftler haben neuartige ultradünne Nanomembranen mit stark organisierten Kanälen zur Nachahmung einer Zellmembranstruktur entwickelt. Die Anwendungsbereiche liegen in der Brennstoffzellentechnologie ebenso wie in der medizinischen Diagnostik und der Informationsverarbeitung.

Industrielle Technologien

Biologische Zellmembranen trennen die intrazelluläre von der extrazellulären Umgebung, auch die geladenen Teilchen (z. B. Wasserstoffionen oder Protonen), die überall vorhanden sind. Werden selektive Kanäle in der Membran geöffnet, sorgen elektrochemische Gradienten für Strömungen. Derartige spezielle Ionenströme in den Zellen sind für Zellsignalisierungsprozesse von Bedeutung. Auch Trennprozesse sind von entscheidender Wichtigkeit für die Bewältigung zahlreicher Herausforderungen in Industrie und Umweltfragen. Die Wissenschaftler starteten das EU-finanzierte Projekt "Biomimetic ultrathin structures as a multipurpose platform for nanotechnology-based products" (MULTIPLAT), um die Fähigkeiten von Mutter Natur in dieser Hinsicht auszunutzen. Ein Schlüsselanwendungsbereich sind Brennstoffzellen. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) werden auch als Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen bezeichnet. Sie erzeugen die Elektrizität durch die Trennung und Strömung geladener Spezies (Elektronen und Protonen), typischerweise des Brennstoffs Wasserstoff. Die Protonen aus dem Wasserstoff gelangen durch eine Elektrolytmembran von einer Elektrode zur anderen, während die einen externen Stromkreis passierenden Elektroden Strom erzeugen. Der PEMFC-Wirkungsgrad wurde von zahlreichen Faktoren wie etwa einer mangelnden Membranorganisation im Nanobereich begrenzt, die zu verminderter Selektivität und erhöhtem Strömungswiderstand führt. MULTIPLAT hat Nanomembranplattformen für neuartige künstlich funktionalisierte, ionenleitende biomimetische Kanäle zusammen mit innovativer Fertigungstechnik entwickelt. Die Wissenschaftler haben ein Patent für die einfache und effiziente Fertigungstechnologie erhalten. Die organisierten Nanokanäle mit der besten Leistungsfähigkeit konnten aus elektrisch isolierten Titandioxidnanoröhren (TiO2) gefertigt werden. Hier wurde die Bildung stark organisierter Strukturen in den Nanomembranen mit verbesserter Leitfähigkeit (bei reduziertem Widerstand) im Vergleich zum Stand der Technik möglich. Mehrere Prototypen wurden gefertigt, die überlegene Parameter im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen der gleichen Klassen aufweisen. MULTIPLAT konnte eine multifunktionelle Nanomembranplattform mit künstlich funktionalisierten biomimetischen Ionenkanälen von hoher Leitfähigkeit und Spezifität erstellen. Technologie dieser Art ist für Brennstoffzellen und etliche Mikrofluidik-Digitalgeräte relevant, wie sie in der medizinischen Diagnostik und Informationsverarbeitung eingesetzt werden. Die Kommerzialisierung dieser Technik sollte somit einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Wirtschaft ausüben können.

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