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Nanotechnisch

Ein Interview mit Dr. Lane Baker, Privatdozent an der Indiana University

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Dr. Lane Baker,
Privatdozent an der Indiana University

 

In Dr. Bakers Forschungsgruppe an der Indiana University arbeiten analytische und Materialchemiker, die sich weitgehend mit Elektrochemie, bioanalytischer Chemie, neuen Massenspektrometrieverfahren, Materialien für die Elektrodenherstellung und der Entwicklung von Instrumentation beschäftigen. Zurzeit arbeiten 10 Studenten aus der ganzen Welt in der Gruppe. An der Indiana University bietet die Analytical Division den Studenten eine gründliche Ausbildung in der Messtechnik.

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Warum ist Ihre Arbeit wichtig und wie wird sie in der heutigen Gesellschaft angewandt?

Ich denke, unsere Arbeit ist für die Gesellschaft an zwei Fronten von Bedeutung. Zuerst entwickeln wir neue Instrumente und Materialien, die uns zu helfen, die Bewegung von Ionen in komplexen Systemen zu verstehen. Dazu gehören biologische Systeme wie Zellen und Gewebe sowie synthetische Proben wie Membranen und Polymere. Ionen sind im Wesentlichen Energieträger in beiden Systemen (lebend und synthetisch) und Messung, Kontrolle und Manipulation von Ionen auf dem niedrigsten Niveau ermöglicht uns, Funktion und Mechanismen besser zu verstehen. In zweiter Linie schulen wir die nächste Generation von Wissenschaftlern. Das ist vielleicht von noch wichtiger Bedeutung. Wir versuchen, Studenten zu trainieren, die beides sein können, "Denker und Tüftler". Das heißt, sie verstehen die Grundlagen in ihrem Feld (Denker) und können neue Werkzeuge entwerfen und vorhandene Technologie umstrukturieren oder weiterentwickeln (Tüftler). Das sind wirklich die beiden wichtigsten Merkmale, die wir entwickeln können, und ich glaube unsere Studenten und Mitarbeiter sind auf diesem Gebiet gut ausgebildet sein.

 

Wie arbeiten Sie mit anderen Forschungsteams der Nanotechnogie? Sind Sie weltweit über ein weites Spektrum von Disziplinen verknüpft?

Wir arbeiten mit Physikern, Zellbiologen, anderen Chemikern und Materialwissenschaftlern zusammen. Das ist einer der Anreize der Nanotechnologie, man kann sie fast überall anwenden. Viele unserer Kooperationen beginnen mit einem Werkzeug oder einer Methode, die in meinem Labor entwickelt wurden und dann in Zusammenarbeit mit einem externen Kollegen zur Untersuchung einer interessanten Probe benutzt werden.

Wie hilft das Studium des elektrochemischen Transports bei der Lebensdauer von Batterien und chemischem Abbau?

Wir haben den elektrochemischen Transport über eine Nafion®-Membran untersucht. Das ist ein essenzieller Schritt beim Ladungsausgleich und spielt eine wichtige Rolle bei einer Reihe von Energietechnologien (z. B. Brennstoffzellen). Verliert die Membran die Fähigkeit, selektiv Protonen (H+) zu transportieren, ist das von großem Nachteil. Mit dem Park XE-Bio und den von uns entwickelten SECM-SICM-Sonden können wir die Heterogenität beim Membranabbau studieren. Dies könnte nützlich sein für die Entwicklung von Membranen mit verbesserter chemische Beständigkeit.

 

Warum ist es wichtig, die Effekte von Lithium auf die Oberflächenladung zu verstehen?

Lithium ist das Kernmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, die überall zum Einsatz kommen. Lithiumionen, insbesondere in nicht-wässrigen Lösungsmitteln, wie sie in Energieanwendungen üblich sind, verhalten sich gelegentlich eigenartig. Mit unseren Kollegen an der University of California-Irvine (Zuzanna Siwy und Studenten) und dem Oak Ridge National Laboratory (Ivan Vlassiouk) konnten wir zeigen, dass Lithiumionen sich an Polykarbonatfilmen anlagern und eine positiv geladene Oberfläche bilden. Das ist wirklich interessant und könnte von Bedeutung sein für die Nanostrukturierung von Materialien in einer Batterie, wo Oberflächenvergrößerung die Oberflächenladung zu einem kritischen Faktor macht.

 

Warum haben Sie ein neues SICM mit Elektrospray entwickelt und wie funktioniert es im Gegensatz zu traditionellen Methoden?

Wir haben ein Elektrospraybildgebungssystem entwickeltet (wir nennen es Scanning Electrospray Microscopy oder SESM) zur Untersuchung der Oberflächenstrukturierung. Das öffnet möglicherweise das Tor für neuartige Methoden in der Oberflächendesorptionsmassenspektrometrie. SESM gibt uns auch die Chance, den Elektrosprayprozess auf kleinster Skala zu verstehen. Das wäre anderweitig schwierig.

 

Wie lassen sich Ionen mit SICM messen und wie ist das anders als in der Vergangenheit?

Das Besondere an SICM ist die Fähigkeit, lokale Ionentransportmessungen auf kleinster Skala durchführen zu können. SICM ist großartig, weil man hochauflösende Bilder in relevanten (biologischen oder elektrochemischen) Lösungen aufnehmen kann und - noch wichtiger - es zahlreiche chemische Prozesse gibt, die sich mit SICM oder Hybridversionen von SICM (wie SECM-SICM) messen lassen. In den letzten zehn Jahren haben Wissenschaftler interessante Daten mithilfe von SICM erhalten.

 

Wie setzen Sie Park SICM in Ihrer Forschung ein und was sind die wichtigsten Vorzüge von Park SICM?

Wir benutzen das Park System in mehreren Projekten in meiner Forschungsgruppe, insbesondere für energiebezogene Forschung und die Entwicklung von Rasterelektrospraymikroskopie (SESM). Das Park XE-Bio ist wirklich einfach zu bedienen. Die meisten Studenten lernen auf diesem Gerät. Das Design des Park Systems ist gut und die Elektronik liefert ein ausgezeichnetes Rauschverhältnis. Die Möglichkeit, den SICM-Kopf gegen einen RKM-Kopf auszutauschen zu können, hat sich bei einigen Experimenten bewährt. RKM hat uns da wertvolle komplementäre Daten gegeben.

 

Wie kann die Bioanalyse mit RKM das Studium von Krankheiten unterstützen?

RKM ist ideal für die Messung einer Reihe von zellulären Eigenschaften wie zum Beispiel Zellsteifigkeit. Das kann sehr nützlich für das Verständnis zur Physiologie der Krankheit sein. Eine der interessantesten Anwendung von RKM ist die Kartierung von Zelloberflächenrezeptoren. Das ist eine einzigartige Anwendung von RKM, die uns hilft, die Biologie der Zellen zu verstehen.

 

Gibt es Fortschritte bei der DNA-Forschung mit SICM?

SICM wurde vor Kurzem zur Probenahme von DNA aus subzellulären Regionen von einzeln Zellen angewandt. Die DNA wurde dann verwendet, um das Genom der Zelle zu untersuchen. Das wird in Zukunft von großem Interesse sein.

 

Sie haben mit Lloyd Whitman gearbeitet, der jetzt stellvertretender Direktor für Nanotechnologie am Weißen Haus im Office of Science and Technology Policy ist. Er hat viel an Biosensoren gearbeitet. Können Sie uns etwas über Ihre gemeinsamen Projekte und deren Bedeutung sagen?

Ich war ein NRC-Postdoktorand am Naval Research Laboratory in Washington DC und Lloyd war mein Mentor. In Lloyds Labor arbeitete ich mit vielen seiner Mitarbeitern (Arnaldo Laracuente, Tom Clark, Paul Sheehan) und anderen Postdocs auf dem Gebiet der Biosensoren und in der Grenzflächenchemie / Physik. Bei Lloyd erhielt ich ein gutes Training in RKM, speziell Rastertunnelmikroskopie (STM). Ich konnte das gut verwerten, als ich meine eigene Forschungsgruppe gründete.