Optical coherence tomography (OCT) on highly scattering and porous materials

Tapping into quantum mechanics

Aron Vanselow, a young reseracher at IRIS Adlershof, shows an attractive approach that makes it easier to perform optical coherence tomography (OCT) on highly scattering and porous materials. It specifically demonstrates that entangled photons can be used to improve the penetration depth of (OCT) in highly scattering materials. The method represents a way to perform OCT with mid-infrared wavelengths and could be useful for non-destructive testing and analysis of materials such as ceramics and paint samples.
OCT is a nondestructive imaging method that provides detailed 3D images of subsurface structures. OCT is typically performed using visible or near-infrared wavelengths because light sources and detectors for these wavelengths are readily available. However, these wavelengths don’t penetrate very deeply into highly scattering or very porous materials.
Aron Vanselow and colleagues from Humboldt-Universität zu Berlin in Germany, together with collaborators at the Research Center for Non-Destructive Testing GmbH in Austria, now demonstrate a proof-of-concept experiment for mid-infrared OCT based on ultra-broadband entangled photon pairs. They show that this approach can produce high quality 2D and 3D images of highly scattering samples using a relatively compact, straightforward optical setup.

Researchers used entangled photons to increase the penetration depth of OCT for scattering materials. They demonstrated the technique by analyzing two alumina ceramic stacks containing laser-milled microchannels. The mid-infrared illumination allowed the researchers to capture depth information and to create a full 3D reconstruction of the channel structures (pictured).

“Our method eliminates the need for broadband mid-infrared sources or detectors, which have made it challenging to develop practical OCT systems that work at these wavelengths,” said Vanselow. “It represents one of the first real-world applications in which entangled photons are competitive with conventional technology.”
The technique could be useful for many applications including analyzing the complex paint layers used on airplanes and cars or monitoring the coatings used on pharmaceuticals. It can also provide detailed 3D images that would be useful for art conservation.
For this technique, the researchers developed and patented a nonlinear crystal that creates broadband photon pairs with very different wavelengths. One of the photons has a wavelength that can be easily detected with standard equipment while the other photon is in the mid-infrared range, making it difficult to detect. When the hard-to-detect photons illuminate a sample, they change the signal in a way that can be measured using only the easy-to-detect photons.
“Our technique makes it easy to acquire useful measurements at what is a traditionally hard-to-handle wavelength range due to technology challenges,” said Sven Ramelow, who conceived and guided the research. “Moreover, the lasers and optics we used are not complex and are also more compact, robust and cost-effective than those used in current mid-infrared OCT systems.”

Imaging with less light

To demonstrate the technique, the researchers first confirmed that the performance of their optical setup matched theoretical predictions. They found that they could use six orders of magnitude less light to achieve the same signal-to-noise ratio as the few conventional mid-infrared OCT systems that have been recently developed. “We were positively surprised that we did not see any noise in the measurements beyond the intrinsic quantum noise of the light itself,” said Ramelow. “This also explained why we can achieve a good signal-to-noise ratio with so little light.”
The researchers tested their setup on a range of real-world samples, including highly scattering paint samples. They also analyzed two 900-micron thick alumina ceramic stacks containing laser-milled microchannels. The mid-infrared illumination allowed the researchers to capture depth information and to create a full 3D reconstruction of the channel structures. The pores in alumina ceramics make this material useful for drug testing and DNA detection but also highly scattering at the wavelengths traditionally used for OCT.
The researchers have already begun to engage with partners from industry and other research institutes to develop a compact OCT sensor head and full system for a pilot commercial application.

Frequency-domain optical coherence tomography with undetected mid-infrared photons
A. Vanselow, P. Kaufmann, I. Zorin, B. Heise, H. M. Chrzanowski, S. Ramelow
Optica 7 (2020) 1729, DOI:10.1364/OPTICA.400128


Xolography as new volumetric 3D printing method

It looks like science fiction but in fact could be the future of 3D printing: A blue slice of light wanders through a liquid, while light projections emerge through the window of a glass vessel. Resembling the replicator of the Star Trek spaceships, the desired object materializes. What used to take hours soon floats in the liquid in the vessel, is then removed, and cured under UV light.
The underlying process – xolography – was developed by a team led by chemist Stefan Hecht from IRIS Adlershof, physicist Martin Regehly, and the founder Dirk Radzinski in the startup company xolo GmbH in Berlin Adlershof over the past two years. For the first time, they now describe their unique method in the renowned journal Nature.

Their invention is based on Hecht’s specialty: photoswitchable molecules, which only at the intersection (xolography) of light rays of two different colors allow precise curing of the starting material in the entire volume (holos). In combination with a new printing process (xolography) based on a laser-generated light sheet and projected cross-sectional images, the desired objects are generated from virtual 3D models.
In contrast to conventional 3D printing, in which the objects are created layer by layer, the advantages of xolography are the significantly higher build speed that is due to the higher efficiency of combining two linear one-photon processes as opposed to non-linear two-photon stereolithography. The faster build speed does not compromise for resolution and thus smooth surfaces can be created. Moreover, fully assembled multicomponent systems can be fabricated in just one step.
Hecht is amazed “to see how fast this has been moving from an idea to xolo’s first prototype printer, the XUBE. Working in a highly interdisciplinary team including chemists, physicists, materials scientists, and software developers with a clear focus and dedication, we have been able to develop xolography as a powerful new method.” He is excited about the many opportunities ahead: “The beauty is our method’s versatility as we can print hard as well as soft objects. This should have major implications for the future manufacturing of optical, (micro)fluidic, and biomedical devices.”“

Xolography for linear volumetric 3D printing
M. Regehly, Y. Garmshausen, M. Reuter, N.F. König, E. Israel, D.P. Kelly, C.-Y. Chou, K. Koch, B. Asfari, and S. Hecht
Nature 588 (2020) 620, DOI: 10.1038/s41586-020-3029-7

Molecular telegraphy: Sending and receiving individual molecules precisely

The concept of throwing and catching a ball is familiar to everyone and works well in the macroscopic world. But could this be done in the nanoworld using individual molecules instead? And if one could transfer molecules precisely back and forth between two distant places, how fast would they be? An international team involving Stefan Hecht, who is a member of IRIS Adlershof, found some spectacular answers to these questions and the results of their study have been published as the cover story a recent issue of Science magazine.

"Through the targeted movement of individual molecules, we can gain insight into fundamental physical and chemical processes that are important for molecular dynamics - for example during chemical reactions or in catalysis," explains Leonhard Grill from the University of Graz, who led the team. For the study, the scientists brought organic molecules about two nanometers long on a silver surface with the fine metal tip of a scanning tunneling microscope in a special orientation, in which they are still extremely mobile, even at -266 °C. “We were able to show that, despite the very flat surface, the molecules move along a single row of atoms, i.e. only in one direction,” the researcher describes.

If an electric field is switched on, individual molecules can be moved perfectly along a straight line by electrostatic forces, as if the molecule would be on rails. As a result, the molecules can – depending on the direction of the field – be sent and received in a targeted manner by the forces of repulsion and attraction, respectively. The uncovered phenomenon operates over relatively long distances of 150 nanometers and at the same time with extremely high precision of 0.01 nanometers. The researchers were able to measure the time it took an individual molecule to be transferred and thus could determine the speed of an individual molecule directly. At these low temperatures, the molecule moved at 0.1 mm per second over the silver surface. These studies provide completely new possibilities for the investigation of molecular energies during movement and more importantly during chemical reactions.

At Oak Ridge National Laboratory, the researchers were able to carry out a unique transmitter-receiver experiment. Specifically, two separate scanning tunnel microscope tips were first appropriately positioned. Upon switching the “transmitter tip” from attractive to repulsive mode, the molecule moved precisely to the location of the “receiver tip”. This allowed to characterize the molecular motion and deduce the speed. But moreover this experiments illustrates the great potential for information transfer since all information stored in the molecule can be transfered with exquisite spatial precision. "

Control of long-distance motion of single molecules on a surface‐Emitting Diodes
D. Civita, M. Kolmer, G. J. Simpson, A.-P. Li, S. Hecht, and L. Grill
Science 370 (2020) 957, DOI: 10.1126/science.abd0696

Implementation of Flexible Embedded Nanowire Electrodes in Organic Light‐Emitting Diodes

Researchers in the HySPRINT joint lab Generative manufacturing processes for hybrid components (GenFab) of Humboldt-Universität zu Berlin (HU) and Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) have developed together with the Austrian Institute of Technology (AIT) a method to produce flexible transparent electrodes based on silver nanowires. Specifically, the nanowires are spray coated and embedded within a polymer resin on top of polyethylene terephthalate (PET) substrate.Not only are the electrodes fabricated using solution-based approaches, but compared with the widely used indium tin oxide (ITO), the electrodes show higher stability in mechanical bending tests. "Since the spray coating approach in this work can be upscaled to larger areas", says Dr. Felix Hermerschmidt, senior researcher in the joint lab of HU and HZB, "this mechanical stability can be translated to an industrial process."

The researchers fabricated organic light-emitting diodes employing the developed ITO‐free nanowire electrodes. These show considerably higher luminance values at the same efficacy compared to their ITO‐based counterparts. As Dr. Theodoros Dimopoulos, senior scientist at AIT, points out, "Replacing ITO in optoelectronic devices is a key area of research and this work shows the possibilities of doing so without loss in performance."

The work has been published in physica status solidi rapid research letters and is featured on the cover of the November 2020 issue of the journal.

GenFab, led by IRIS Adlershof member Prof. List-Kratochvil, is moving in laboratory rooms in the new IRIS-research building for further development.

Implementation of Flexible Embedded Nanowire Electrodes in Organic Light‐Emitting Diodes
Lukas Kinner, Felix Hermerschmidt, Theodoros Dimopoulos, and Emil J. W. List-Kratochvil
Phys. Status Solidi RRL14 (2020) 2000305,   DOI:10.1002/pssr.202000305

Die Zukunft der Biomedizin?

Forscher der Humboldt-Universität und des Experimental and Clinical Research Centers (ECRC) haben das erste Infrarot basierte Mikroskop mit Quantenlicht gebaut. Durch ein gezieltes Verschränken der Photonen gelang ihnen eine Abbildung von Gewebeproben mit vorher unsichtbaren Bio-Merkmalen.

Die Forschungsgruppe der Humboldt-Universität zu Berlin und des Experimental and Clinical Research Centers (ECRC), einer gemeinsamen Einrichtung von Charité – Universitätsmedizin zu Berlin und dem Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft, ist mit ihrem neuen Experiment auf der Titelseite der Fachzeitschrift Science Advances zu sehen. Ihnen gelang es erstmalig verschränkte Lichtteilchen (Photonen) für Mikroskopaufnahmen zu verwenden. Diese sehr überraschende Methode zur Quanten-Bildgebung mit undetektierten Photonen, wurde erst 2014 in der Arbeitsgruppe um den berühmten Quantenphysiker Anton Zeilinger in Wien entdeckt. Die ersten Aufnahmen zeigen Gewebeproben eines Mäuseherzens.

Die Gewebeprobe wird mit „unsichtbarem“ Licht im mittleren Infrarot (MIR) untersucht, ohne dieses Licht jemals zu sehen. Die Forscher verwenden hierfür einen normalen Laser und eine kommerzielle CMOS-Kamera. Dadurch ist dieser Ansatz für MIR-Mikroskopie nicht nur robust, schnell und rauscharm, sondern auch kostengünstig - was sie für Anwendungen in der realen Welt sehr vielversprechend macht. Dieser Einsatz von Quantenlicht könnte so zukünftig das Gebiet der biomedizinischen Mikroskopie unterstützen.

Quantenmikroskopie eines Mausherzens. Verschränkte Photonen ermöglichen die Erstellung eines hochauflösenden MIR-Bildes unter Verwendung einer CMOS-Kamera und extrem niedrigen Beleuchtungs­intensitäten. Im Bild: Absorption (links) und Phaseninformation (rechts) aus einem Bereich in einem Mausherz. Der gelbe Balken entspricht 0,1 mm, was etwa der Breite eines menschlichen Haares entspricht.

Die derzeitige Kameratechnik wird weitestgehend von silizium-basierten Technologien dominiert. Es gibt Milliarden von CCD- (charge coupled device) und CMOS- (complementary metal oxide semiconductor) Sensoren in Digitalkameras, Mobiltelefonen oder (autonomen) Fahrzeugen. Diese wandeln Licht (Photonen) in elektrische Signale (Elektronen) um. Aber wie auch unsere menschlichen Augen können diese Geräte den wichtigen mittleren IR-Bereich nicht sehen. Dieser Bereich ist für diese Geräte gewissermaßen unsichtbar, jedoch bspw. für die biomedizinischen Wissenschaften sehr interessant, da er wertvolle biochemische Informationen enthält, die es ermöglichen, verschiedene Biomoleküle voneinander zu unterscheiden. Die wenigen Kameratechnologien, die es in diesen wichtigen Wellenlängenbereich gibt, sind jedoch sehr teuer, raschbehaftet und unterliegen strengen Exportbeschränkungen. Deshalb bleibt das riesige Potenzial des MIR-Lichts für die Biowissenschaften bisher weitgehend ungenutzt. Doch die Forscher haben eine neue Lösung vorgeschlagen: „Der Einsatz einer wirklich kontraintuitiven bildgebenden Technik mit quantenverschränkten Photonen erlaubt es uns, den Einfluss einer Probe auf einen Lichtstrahl im mittleren Infrarot zu messen, ohne dass dieses Licht jemals detektiert werden muss“, erklärt Inna Kviatkovsky, die Hauptautorin der Studie.

Es handelt sich dabei nicht um eine Umwandlung oder ein so genanntes 'Ghost-Imaging', sondern die Technik beruht auf einem subtilen Interferenzeffekt: Zunächst wird ein Photonenpaar erzeugt, indem ein Pumplaser in einen nichtlinearen Kristall fokussiert wird. Dieser Prozess kann so eingestellt werden, dass eines der Photonen im sichtbaren Bereich und das andere im MIR-Bereich (unsichtbar) liegt. Das MIR-Photon beleuchtet nun die Probe und wird zusammen mit dem sichtbaren Photon und dem Laser zum Kristall zurückgeschickt. Hier findet die entscheidende Quanteninterferenz statt - und zwar zwischen den beiden Möglichkeiten, dass das Photonenpaar bei diesem ersten Durchgang erzeugt wird, und der Möglichkeit, nicht beim ersten Durchgang, sondern beim zweiten Durchgang durch den Kristall erzeugt zu werden. Jegliche Störung, z.B. eine durch die Probe verursachte Absorption, wirkt sich nun auf diese Interferenz aus, und interessanterweise kann diese durch alleinige Betrachtung der sichtbaren Photonen gemessen werden. Mit der richtigen Optik und Ausnutzung der räumlichen Verschränkung der Photonen kann man ein auf diesem Prinzip basierendes MIR-Mikroskop bauen, was das Team in seiner Arbeit zum ersten Mal gezeigt hat.

„Nach einigen anfänglichen Herausforderungen waren wir wirklich überrascht, wie gut dies an einer realen Gewebeprobe funktioniert“, bemerkt Kviatkovsky. „Außerdem bestrahlen wir die Proben nur mit extrem niedrigen Leistungen im MIR - so niedrig, dass keine Kameratechnik der Welt diese Bilder direkt erfassen könnte.“ Obwohl dies natürlich nur die erste Demonstration dieser Mikroskopietechnik ist, entwickelt die Gruppe um Dr. Sven Ramelow bereits eine verbesserte Version der Technik. Die Forscher stellen sich ein mit Quantenlicht betriebenes Mikroskop im mittleren IR-Bereich vor, das die schnelle Messung der detaillierten, lokalisierten Absorptionsspektren für die gesamte Probe ermöglicht. „Im Erfolgsfall könnte dies ein breites Anwendungsspektrum für markierungsfreies Bio-Imaging haben, und wir planen, dies mit unseren Kooperationspartnern vom ECRC intensiv zu untersuchen“, erklärt Dr. Sven Ramelow, Gruppenleiter an der Humboldt-Universität und Initiator des Projekts.

Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Emmy-Noether-Programms gefördert.

Microscopy with undetected photons in the mid-infrared
Inna Kviatkovsky, Helen M. Chrzanowski, Ellen G. Avery, Hendrik Bartolomaeus, and Sven Ramelow
Science Advances 6, 42 (2020) eabd0264, DOI: 10.1126/sciadv.abd0264

Graphen als Detektiv zum Entschlüsseln molekularer Selbstorganisation

Forscher der Humboldt-Universität zu Berlin, des DWI – Leibniz-Instituts für interaktive Materialien und der RWTH Aachen haben in Zusammenarbeit mit der Universität Straßburg und dem CNRS in Frankreich gezeigt, dass elektronische Bauteile auf Basis von Graphen zur Beobachtung der Dynamik von molekularen Selbst­organisations­prozessen genutzt werden können. Ihre Ergebnisse wurden nun in Nature Communications veröffentlicht.

Die molekulare Selbst­organisation auf Oberflächen stellt eine leistungsstarke Strategie dar, um Substrate mit programmierbaren Eigenschaften zu versehen. Das Verständnis der Dynamik der zugrundeliegenden Selbstorganisationsprozesse ist entscheidend für die Beherrschung der Oberflächenfunktionalisierung. Jedoch wird die experimentelle Beobachtung der Selbst­organisation auf einem bestimmten Substrat durch die Herausforderung erschwert, Grenzflächen- und Volumenphänomene voneinander zu trennen.
Hochmoderne Raster­sonden­mikroskopie­techniken wie die Rastertunnelmikroskopie (STM) wurden verwendet, um die Dynamik der Selbstorganisation an der Fest/Flüssig-Grenzfläche zu überwachen, bisher jedoch nur in kleinen Populationen von (weniger als 1.000) Molekülen und mit einer geringen zeitlichen Auflösung (von 1 bis 10 Sekunden).
In der vorliegenden Studie hat das europäische Forscherteam unter der Leitung von Marco Gobbi und Paolo Samorì gezeigt, dass ein Transistor mit Graphen - einem zweidimensionalen (2D) Material, das sehr empfindlich auf Änderungen seiner Umgebung reagiert - als hochempfindlicher Detektor verwendet werden kann, um die Dynamik der molekularen Selbst­organisation an der Grenzfläche zwischen Graphen und Lösung zu verfolgen.
Untersucht wurde ein photoschaltbares Spiropyran­molekül, das mit einer Ankergruppe ausgestattet ist und durch Licht reversibel zwischen zwei verschiedenen Formen (Isomer) umwandelt (schalten) kann. Wenn Graphen mit einem kleinen Tröpfchen einer Lösung dieser Verbindung benetzt wird, bildet das Spiropyranisomer keine geordnete Schicht auf der Oberfläche. Im Gegensatz dazu wechseln die in Lösung befindlichen Moleküle bei Bestrahlung mit ultraviolettem (UV) Licht zum planaren Merocyanin-Isomer, das eine hochgeordnete Schicht auf der Graphenoberfläche bildet. Wenn das UV-Licht ausgeschaltet wird, kehren die Moleküle zu ihrer ursprünglichen nichtplanaren Spiropyranform zurück und die geordnete Schicht desorbiert. Wichtig ist, dass die Merocyanin-Monoschicht eine deutliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Graphens induziert. Daher ist es möglich, die Dynamik der Bildung und Desorption quasi „live“ zu beobachten, indem einfach der elektrische Strom gemessen wird, der über die Zeit durch Graphen fließt.
Diese einfache und robuste Plattform auf Basis eines Graphenbauteils ermöglicht die Beobachtung von komplexen dynamischen Selbst­organisationsprozessen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche in Echtzeit. Die hochempfindliche, ultraschnelle, praktische, zuverlässige und nicht invasive elektrische Detektion bietet Einblick in die Dynamik mehrerer Milliarden Moleküle, die große Flächen (0,1 × 0,1 mm²) mit einer hohen zeitlichen Auflösung (100 ms) abdecken. Darüber hinaus ermöglicht die ultrahohe Oberflächenempfindlichkeit von Graphen, die Dynamik verschiedener Prozesse zu entwirren, die gleichzeitig an der Grenzfläche zwischen Feststoff und Flüssigkeit und in der darüber befindlichen Lösung ablaufen. Diese Strategie bietet ein großes Potenzial für Anwendungen in der (bio)chemischen Sensorik und Diagnostik.


Abbildung: Ein Tröpfchen einer Lösung, die ein photochromes Molekül enthält, wird auf eine Graphenoberfläche gegeben. UV-Licht wird verwendet, um die Photoisomerisierung zu induzieren, wodurch die Bildung einer geordneten molekularen Anordnung auf Graphen ausgelöst wird, die sich nach dem Ausschalten des UV-Lichts wieder ab- und auflöst. Die zeitliche Entwicklung des durch das elektronische Bauteil fließenden Stroms ermöglicht die Beobachtung der Dynamik der Bildung und Auflösung der selbstorganisierten Schicht in Echtzeit.

Graphene transistors for real-time monitoring molecular self-assembly dynamics
M. Gobbi, A. Galanti, M.-A. Stoeckel, B. Zyska, S. Bonacchi, S. Hecht, and P. Samorì
Nature Communications, 2020, 11, xxxx. DOI: 10.1038/s41467-020-18604-4


Erstmalige Quantenmessung von Temperatur in einem lebenden Organismus

Die genaue Messung der Temperatur mit gleichzeitig höchster, räumlicher Auflösung in lebenden Organismen ist von großer Wichtigkeit, um Stoffwechselprozesse genau untersuchen zu können. Eine solche Messung war jedoch bislang wegen fehlender präziser und zuverlässiger Nanothermometer oder Nanotemperatursonden unmöglich. Ein internationales Forscherteam um Prof. Oliver Benson, Mitglied von IRIS Adlershof  und Prof. Masazumi Fujiwara von der Osaka City Universitity hat nun einen nur wenige Nanometer großen Quantensensor entwickelt und Temperaturveränderungen in einem Fadenwurm nach Verabreichung einer pharmakologischen Substanz messen können. Die Resultate öffnen den Weg für vielfältige Anwendungen der neuartigen Quantensensorik in der biomedizinischen Forschung, z.B. für die Aufnahme hochauflösender Wärmebilder.

Schema des Experiments: Mit Hilfe von Laserlicht (grün) kann die charakteristische Mikrowellenresonanzlinie (in orange: Mikrowellenantenne) von Nanodiamanten in einem Fadenwurm (typische Länge 1 mm) unter einem Mikroskop aufgenommen werden. Da diese von der Temperatur abhängt, kann eine Temperaturänderung sehr präzise und lokal gemessen werden. (©Masazumi Fujiwara, Osaka City University, E-mail an Oliver Benson)

Weitere Informationen:
Die Wissenschaftler verwendeten in ihrem Experiment kleine Diamanten mit Durchmessern von wenigen 10 Nanometern (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter). Diese Nanodiamanten enthalten leuchtende (fluoreszierende) Quantendefekte, die man unter einem optischen Mikroskop beobachten kann. Mit Hilfe von eingestrahlten Mikrowellen kann man die Helligkeit der leuchtenden Quantendefekte verändern. Bei einer ganz bestimmten Mikrowellenfrequenz erscheinen die Defekte etwas dunkler. Diese so genannte Resonanzfrequenz hängt von der Temperatur ab. Die Forscher konnten nun die Verschiebung der Resonanzfrequenz sehr genau bestimmen und damit die Temperaturänderung am Ort der Nanodiamanten präzise bestimmen.
Die Nanodiamanten wurden in einen Fadenwurm (C. Elegans) eingebracht. C. Elegans ist ein sehr gut verstandenes Modellsystem und wird in sehr vielen biophysikalischen und biochemischen Experimenten untersucht. Durch Gabe einer bestimmten pharmakologischen Substanz konnten in einzelnen Zellen des Wurms die Mitochondrien, gewissermaßen die “Kraftwerke” der Zellen, zu erhöhter Aktivität angeregt werden. Dies zeigte sich dann als eine leichte lokale Temperaturerhöhung von wenigen Grad.
Die Forscher zeigten sich fasziniert von den Ergebnissen des Experimentes. "Ich hätte nie gedacht, dass die neuen Methoden der Quantentechnologie sogar bei lebenden Organismen so gut funktionieren.“ sagte Masazumi Fujiwara, Professor an der Osaka City Universität. „Mit diesen vielversprechenden Resultaten sind wir sehr zuversichtlich, dass die Quantensensorik sich auch in der Biochemie und Biomedizin etablieren wird.“ ergänzt Prof. Oliver Benson von der Humboldt-Universität. Die Forscherteams arbeiten nun daran, ihre Messmethode weiter zu verbessern und zu automatisieren, damit sie leicht in Standardmikroskopie-Aufbauten integriert werden kann.

Osaka City University Strategic Research Grant. Murata Science Foundation.
JSPS-KAKENHI (20H00335, 16K13646, 17H02741, 19K14636, 17H02738).
MEXT-LEADER program. Sumitomo Research Foundation.
Deutsche Forschungsgemeinschaft (FOR 1493).

Oliver Benson
Nano-Optik, Institut für Physik und IRIS Adlershof der Humboldt-Universität zu Berlin
Newtonstraße 15, 12489 Berlin
030 2093 4711

Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses
M. Fujiwara, S. Sun, A. Dohms, Y. Nishimura, K. Suto, Y. Takezawa, K. Oshimi, L. Zhao, N. Sadzak, Y. Umehara, Y. Teki, N. Komatsu, O. Benson, Y. Shikano, and E. Kage-Nakadai,
Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aba9636


Enwrapping of tubular J-aggregates of amphiphilic dyes for stabilization and further functionalization

The fabrication of functional units on mesoscopic length scales (nanometers to micrometers) in an aqueous environment by a self-assembling process is a fascinating but challenging task. It is essentially a biomimetic approach following design rules of living biological matter utilizing electrostatic and hydrophobic forces for the combination of a variety of materials. A peculiar form of such self-assembled structures is represented by tubular J-aggre­gates built from amphi­philic cyanine dye molecules. Those aggre­gates have attracted attention because of their similarity with natural light harvesting complexes. In particular, the dye 3,3′-bis(3-sulfopropyl)-5,5′,6,6′-tetra­chloro-1,1′-dioctylbenzimida-carbo-cyanine (C8S3) forms micrometer long double walled tubular aggre­gates with a uniform outer diameter of 13 ± 0.5 nm. These J-aggregates exhibit strong exciton coupling, as seen by a strong shift in the absorption spectrum, and hence exciton delocali­zation and migration. However, their structural integrity and hence their optical properties are very sensitive to their chemical environment as well as to mechanical deformation, rendering detailed studies on individual tubular J-aggregates difficult.

In a collaboration within the CRC 951 Hybrid Inorganic/Organic Systems for Opto-Electronics, projects A6 (Kirstein, Rabe) and A12 (Koch) we addressed this issue and developed a route for their chemical and mechanical stabilization by in situ synthesis of a silica coating that leaves their absorbance and emission unaltered in solution [1]. By electrostatic adsorption of precursor molecules it was achieved to cover the aggregates with a silica shell of a few nanometer thickness which is able to stabilize the aggregates against changes of pH of solutions down to values where pure aggregates are oxidized, against drying under ambient conditions, and even against the vacuum conditions within an electron microscope. It was possible to measure spatially resolved electron energy loss spectra across a single freely suspended aggregate to analyze the chemical composition and the chemical composition and silica shell thickness. However, their structural integrity and hence their optical properties are very sensitive to their chemical environment as well as to mechanical deformation, rendering detailed studies on individual tubular J-aggregates difficult.

Figure 1: Sketch of chemical structure of the amphiphilic carbocyanine C8S3 and the route to synthesize a closed shell of silica on top of the aggregates of the anionic carbocyanine by successive adsorption of the precursor molecules APTES and TEOS. The TEM images are taken at room temperature and show Room temperature silica coated aggregates deposited on a holey carbon film. The right image is a magnification showing a single aggregate, freely suspended across a hole.

The concept of electrostatic adsorption at the charged surface of the aggregates was also utilized for the adsorption of oppositely charged polyelectrolytes, polycations in this case [2]. It was found that the morphology of the resulting aggregate/polycation complexes sensitively depends on the chemical structure of the polyelectrolyte. But in general, adsorption of a homogeneous layer leads to charge reversal of the surface of the complex, which can be used for further attachment of other chemicals. The adsorption of polyelectrolytes at these amphiphilic tubular structures, stabilized by means of hydrophobic forces, is far from obvious and demonstrates an applicable route to the hierarchical build-up of more complex nanostructures in solution by means of a self-assembling process.

Figure 2 Sketch of the tubular aggregates of C8S3 emphasizing the negative surface charge due to sulfonate end groups of the dye and chemical structure of the polycation PDADMAC. The Cryo-TEM image shows aggregates partially covered with PDADMAC.

[1]  Individual tubular J-aggregates stabilized and stiffened by silica encapsulation
K. Herman, H. Kirmse, A. Eljarrat, C.T. Koch, S. Kirstein, J.P. Rabe
Colloid Polym Sci 298 (2020) 937

[2]  Adsorption of polyelectrolytes onto the oppositely charged surface of tubular J aggregates of a cyanine dye
O. Al-Khatib, C. Böttcher, H. von Berlepsch, K. Herman, S. Schön, J.P. Rabe, S. Kirstein
Colloid Polym Sci 297 (2019) 729

Metal-Assisted and Solvent-Mediated Synthesis of Two-Dimensional Triazine Structures on Gram Scale

Covalent triazine frameworks are an emerging class of materials that have shown promising performance for a range of applications. In a large collaborative project, researchers from IRIS Adlershof together with their partners report on a metal-assisted and solvent-mediated reaction between calcium carbide and cyanuric chloride, as cheap and commercially available precursors, to synthesize two-dimensional triazine structures (2DTSs) [1]. The reaction between the solvent, dimethylformamide, and cyanuric chloride was promoted by calcium carbide and resulted in dimethylamino-s-triazine intermediates, which in turn undergo nucleophilic substitutions. This reaction was directed into two dimensions by calcium ions derived from calcium carbide and induced the formation of 2DTSs. The role of calcium ions to direct the two-dimensionality of the final structure was simulated using DFT and further proven by synthesizing molecular intermediates. The water content of the reaction medium was found to be a crucial factor that affected the structure of the products dramatically. While 2DTSs were obtained under anhydrous conditions, a mixture of graphitic material/2DTSs or only graphitic material (GM) was obtained in aqueous solutions. Due to the straightforward and gram-scale synthesis of 2DTSs, as well as their photothermal and photodynamic properties, they are promising materials for a wide range of future applications, including bacteria and virus incapacitation.


Metal-assisted and solvent-mediated synthesis of two-dimensional triazine structures on gram scale
A. Faghani, M.F. Gholami, M. Trunk, J. Müller, P. Pachfule, S. Vogl, I. Donskyi, P. Nickl, J. Shao, M.R.S. Huang, W.E.S. Unger, R. Arenal, C.T. Koch, B. Paulus, J.P. Rabe, A. Thomas, R. Haag, M. Adeli
J. Am. Chem. Soc. 142 (2020) 12876, DOI: 10.1021/jacs.0c02399


Reversible Switching of Charge Transfer at the Graphene-Mica Interface with Intercalating Molecules

Understanding and controlling charge transfer through molecular nanostructures at interfaces is of paramount importance, particularly for hybrid systems for optics and electronics but also generally for contact electrification or in bio-electronics. In a recent publication, Hu Lin et al. [1] reveal the influence of intercalation and exchange of molecularly thin layers of small molecules (water, ethanol, 2 propanol and acetone) on charge transfer at the well-defined interface between an insulator (muscovite mica) and a conductor (graphene) through probing graphene doping variations by Raman spectroscopy. While a molecular layer of water blocks charge transfer between mica and graphene, a layer of the organic molecules allows for it. The exchange of molecular water layers with ethanol layers switches the charge transfer very efficiently from OFF to ON and back. This observation is explained by charge transfer from occupied mica trap states to electronic states of graphene, controlled by the electrostatic potential from the molecular layers wetting the interface. This is supported by molecular dynamics simulations. The sensitivity of graphene doping to the composition of confined molecular films may be used to investigate the structure of the films and diffusion of the molecules in the nano-confinement, e.g., their miscibility; furthermore, potential molecular sensor and actuator applications can be envisioned. The demonstrated role of molecular layers in the charge transfer will aid in understanding of graphene wetting transparency, and it will facilitate the development of electronic devices, e.g., triboelectric generators.

a) Schematic diagram of (i) an initially dry graphene-mica interface becoming intercalated with molecular (ii) ethanol or (iii) water layers, upon exposure to ethanol and water vapors, respectively. Water and ethanol molecules can diffuse into the interface and replace each other. b) Dependence of the graphene G peak position on time for alternating exposures to ethanol (green) and water vapor (blue). The light blue and red lines are G peak positions for unstrained/undoped and n-doped graphene on water and ethanol layers, respectively.

Reversible Switching of Charge Transfer at the Graphene-Mica Interface with Intercalating Molecules

H. Lin, J.-D. Cojal González, N. Severin, I.M. Sokolov, J.P. Rabe
ACS Nano 14 (2020) 11594, DOI: 10.1021/acsnano.0c04144


Versteckte Symmetrien in Massiver Quantenfeldtheorie

Theoretische Modelle mit einem hohen Maß an Symmetrie sind in der Physik allgegenwärtig und oft der Schlüssel zur Entwicklung effizienter Methoden für komplexe Probleme. Wenn die Anzahl der Symmetrien eine kritische Schwelle überschreitet, wird ein System als integrabel bezeichnet, wobei ein Paradebeispiel das Kepler-Problem der Planetenbewegung ist. Während Integrabilität typischerweise mit einem breiten Spektrum mathematischer Methoden einhergeht, ist es oft schwierig, die zugrunde liegenden Symmetrien zu identifizieren. Zum ersten Mal wurden nun Strukturen der Quanten-Integrabilität im Kontext massiver Quantenfeldtheorien in vier Raumzeitdimensionen entdeckt. Florian Loebbert und Julian Miczajka (beide Humboldt-Universität) konnten zusammen mit Dennis Müller (NBI Kopenhagen) und Hagen Münkler (ETH Zürich) zeigen, dass große Klassen von meist ungelösten massiven Feynman-Integralen eine unendlich dimensionale Yangian Symmetrie aufweisen - ein Kennzeichen der Integrabilität. Diese mathematische Struktur ist sehr einschränkend und ermöglicht es, diese Bausteine ​​der Quantenfeldtheorie vollständig zu fixieren, wie für erste Beispiele gezeigt werden konnte. Die beobachtete Yangian Symmetrie geht einher mit einer Erweiterung der wichtigen Struktur der konformen Symmetrie auf Situationen mit massiven Teilchen. Bemerkenswerterweise legt diese Entdeckung nahe, dass ähnliche Symmetriemerkmale auch in massiven Versionen der berühmten holographischen Dualität zwischen Eichentheorien und Gravitation verborgen sein können. Diese Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht in Physical Review Letters 125 (2020) 9, 091602.

Massive Conformal Symmetry and Integrability for Feynman Integrals
F. Loebbert, J. Miczajka, D. Müller, and H. Münkler
Phys. Rev. Lett. 125 (2020) 9, 091602

Understanding the interaction of polyelectrolyte architectures with proteins and biosystems

Figure 1: Interaction of polyelectrolytes with biosystems at different levels of complexity. The entire matrix of systems and problems surveys the possible medical problems to which synthetic polyelectrolytes may provide solutions

Polyelectrolytes such as e.g. DNA or heparin are long linear or branched macromolecules onto which charges are appended. The counterions neutralizing these charges may dissociate in water and will largely determine the interaction of such polyelectrolytes with biomolecules and in particular with proteins. Here Prof. Matthias Ballauff, member of IRIS Adlershof, and collegues review studies on the interaction of proteins with polyelectrolytes and how this knowledge can be used for medical applications. Counterion release was identified as the main driving force for the binding of proteins to polyelectrolytes: Patches of positive charge become multivalent counterions of the polyelectrolyte which leads to the release of counterions of the polyelectrolyte and a concomitant increase of entropy.

Figure 2: Interaction of proteins with highly charged polyelectrolytes as e.g. DNA by counterion release

This was shown by surveying investigations done on the interaction of proteins with natural and synthetic polyelectrolytes. Special emphasis is laid on sulfated dendritic polyglycerols (dPGS). The entire overview demonstrates that we are moving on to a better understanding of charge‐charge interaction in system of biological relevance. Hence, research along these lines will aid and promote the design of synthetic polyelectrolytes for medical applications.

Understanding the interaction of polyelectrolyte architectures with proteins and biosystems

K. Achazi, R. Haag, M. Ballauff, J. Dernedde, J.N. Kizhakkedathu, D. Maysinger, and G. Multhaup
Angew. Chem. Int. Ed.. Accepted Author Manuscript, DOI: 10.1002/anie.202006457

Perowskit-LED aus dem Drucker – auf dem Weg zu einem neuen Standard für die Elektronik

Grafische Darstellung des Druckprozesses für die Perowskit-LED.
© Claudia Rothkirch/HU Berlin

Einem Team von Forschern des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin ist es zum ersten Mal gelungen, Leucht­dioden (LEDs) aus einem hybriden Perowskit-Halb­leiter­material per Tinten­strahl­druck herzustellen. Das Tor zu einer breiten An­wendung solcher Materialien in vielerlei elektronischen Bau­elementen ist damit geöffnet. Der Durchbruch gelang den Wissen­schaftlern mithilfe eines Tricks: dem „Impfen“ der Oberfläche mit bestimmen Kristallen.

Die Mikroelektronik ist geprägt durch verschiedene funktionelle Materialien, deren Eigenschaften sie für bestimmte Anwendungen auszeichnen. So werden Transistoren und Datenspeicher aus Silizium gefertigt, und auch die meisten photovoltaischen Zellen für die Stromgewinnung aus Sonnenlicht bestehen aus diesem Halbleitermaterial. Um Licht in optoelektronischen Elementen wie Leuchtdioden (LEDs) zu erzeugen, kommen hingegen Verbindungshalbleiter wie Galliumnitrid zum Einsatz. Je nach Materialklasse unterscheiden sich zudem die Herstellungsverfahren. 

Raus aus dem Zoo aus Materialien und Methoden

Ein Blick in das Helmholtz Innovation Lab HySPRINT.
Wesentliche Arbeiten zu den druckbaren Perovskit-LEDs fanden hier statt.
 © HZB/Phil Dera

Eine Vereinfachung versprechen hybride Perowskit-Materialien – halbleitende Kristalle, deren organische und anorganische Bestandteile in einer bestimmten Kristallstruktur angeordnet sind. „Je nach Zusammensetzung lassen sich daraus alle Arten von mikroelektronischen Bauelementen fertigen“, sagt Prof. Dr. Emil List-Kratochvil, Leiter einer gemeinsamen Forschergruppe von HZB und Humboldt-Universität. Hinzu kommt: Perowskit-Kristalle ermöglichen eine vergleichsweise simple Art der Verarbeitung. „Sie lassen sich aus einer flüssigen Lösung herstellen, damit kann man das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht direkt aus dem Substrat heraus aufbauen“, erklärt der Physiker.

Nach Solarzellen nun auch Leuchtdioden aus dem Drucker

Dass sich Solarzellen aus einer Lösung solcher Halbleiterverbindungen heraus drucken lassen, haben die Wissenschaftler am HZB in den letzten Jahren bereits gezeigt – und sind
heute bei dieser Technologie weltweit führend. Nun gelang es dem gemeinsamen Team von HZB und HU Berlin erstmals, auch funktionsfähige Leuchtdioden auf diese Weise herzustellen. Dazu verwendete die Forschergruppe einen Metall-Halogenid-Perowskit: ein Material, das eine besonders hohe Effizienz bei der Lichterzeugung verspricht – das aber andererseits schwierig zu verarbeiten ist. „Bislang war es nicht möglich, solche Halbleiterschichten aus einer flüssigen Lösung mit ausreichender Qualität zu erzeugen“, sagt List-Kratochvil. So ließen sich LEDs nur aus organischen Halbleitern drucken, die aber nur eine bescheidene Leuchtkraft liefern. „Die Herausforderung war es, die salzartige Vorstufe, die wir mit dem Drucker auf das Substrat aufbrachten, mit einer Art Lockmittel dazu zu bewegen, rasch und gleichmäßig zu kristallisieren“, erklärt der Wissenschaftler. Das Team wählte dafür einen „Impfkristall“: ein beigefügtes Salz, das sich auf dem Substrat anheftet und wie ein Gerüst für das Wachstum der Perowskit-Struktur dient.

Deutlich bessere optische und elektronische Merkmale

So schufen die Forscher gedruckte LEDs mit einer weit höheren Leuchtkraft und deutlich besseren elektrischen Eigenschaften als sie bislang mit additiven Fertigungsverfahren erreichbar waren. Doch für Emil List-Kratochvil ist dieser Erfolg nur ein Zwischenschritt auf dem Weg zu einer künftigen Mikro- und Optoelektronik, die seiner Meinung nach ausschließlich auf hybriden Perowskit-Halbleitern basiert. „Die Vorteile, die eine universell einsetzbare Klasse von Materialien bietet, aus der sich beliebige Bauteile mit einem einzigen einfachen und kostengünstigen Verfahren fertigen lassen, sind bestechend“, meint der Wissenschaftler. In dem Berliner Labor von HZB und HU will er daher nach und nach alle relevanten elektronischen Bauelemente auf diese Weise herstellen. Emil List-Kratochvil ist Professor für Hybride Bauelemente an der Berliner Humboldt-Universität (HU) und Leiter eines 2018 gegründeten Joint Labs, das von der HU gemeinsam mit dem HZB betrieben wird. Darüber hinaus arbeitet im „Helmholtz Innovation Lab HySPRINT“ ein Team um List-Kratochvil und der HZB-Wissenschaftlerin Dr. Eva Unger an der Entwicklung von Beschichtungs- und Druckverfahren – im Fachjargon auch additive Fertigung genannt – für hybride Perowskite, das sind Kristalle mit Perowskit-Struktur, die sowohl anorganische als auch organische Bestandteile enthalten. 

Ralf Butscher

Finally, inkjet-printed metal halide perovskite LEDs – utilizing seed crystal templating of salty PEDOT:PSS
Felix Hermerschmidt, Florian Mathies, Vincent R. F. Schröder, Carolin Rehermann, Nicolas Zorn Morales, Eva L. Unger, Emil. J. W. List-Kratochvil.
Mater. Horiz. (2020) Advance Article


Modulating the luminance of organic light-emitting diodes via optical stimulation of a photochromic molecular monolayer at transparent oxide electrode

Flavie Davidson-Marquis
a) Luminance of an OLED fabricated
with a SAM-modified ITO electrode.
The luminescence doubles
once the DAE is switched from
closed to open.
b) Values for the ratio between
the current densities and
luminescence measured
at 5 V upon multiple irradiation
cycles. The Modulation of the OLED
luminescence is reversible

Organic self-assembled monolayers (SAMs) deposited on inorganic bottom electrodes are commonly used to tune charge carrier injection or blocking in hybrid inorganic/organic optoelectronic devices. Beside the enhancement of device performance, the fabrication of multifunctional devices in which the output can be modulated by multiple external stimuli remains a challenging target. The authors of this research highlight report the functionalization of an indium tin oxide (ITO) electrode with a SAM of a photochromic diarylethene derivative designed for optically control the electronic properties. Following the demonstration of dense SAM formation and its photochromic activity, as a proof-of- principle, an organic light-emitting diode (OLED) embedding the light-responsive SAM-covered electrode is fabricated and characterized. Optically addressing the two-terminal device by irradiation with ultraviolet light (315 nm) doubles the electroluminescence (100% gain), which can be reversed by irradiation with visible light (530 nm). This approach of “dynamic” energy tuning could be successfully exploited in the field of opto-communication technology, for example to fabricate opto-electronic logic circuits.

Modulating the luminance of organic light-emitting diodes via optical stimulation of a photochromic molecular monolayer at transparent oxide electrode

G. Ligorio, G. F. Cotella, A. Bonasera,
N. Zorn Morales, G. Carnicella, B. Kobin,
Q. Wang, N. Koch, S. Hecht,
E. J.W. List-Kratochvil, and F. Cacialli
Nanoscale 12, 5444 (2020)



Influence of interface hydration on sliding of graphene and Molybdenum-disulphide single-layers

Off-shell gauge invariance

Verschränkte Photonen für Messungen im mittleren Infrarot - Quantum Futur Award 2019 für Aron Vanselow

Direct measurement of quantum efficiency of single-photon emitters in hexagonal boron nitride

Artikel des IRIS-Nachwuchsgruppenleiters Michael J. Bojdys wird in Nature Communications veröffentlicht

Neuer Halbleiter aus der Familie der Kohlenstoffnitride

Researchers demonstrate very large electric tuning of a single quantum emitter at room temperature

Optische Displays in neuem Licht

Hybrid Organic-Inorganic Perovskites: Promising Substrates for Single-Atom Catalysts

Ab initio modeling of novel photocathode materials for high brightness electron beams