Gast am Lehrstuhl für Experimentalphysik V an der RUB

Emile Carbone besucht die Arbeitsgruppe von Prof. Czarnetzki

Am 25. Oktober 2019 wird Dr. Emile Carbone vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik in Garching die Arbeitsgruppe von Prof. Czarnetzki besuchen. Dr. Carbone ist Forschungsgruppenleiter der Gruppe "Plasma for Gas Conversion" und wird im Rahmen des SFB 1316 an die Ruhr-Universität Bochum eingeladen. Außerdem wird er im Rahmen der Experimentalphysik V einen Seminarvortrag zum Thema "CO2 dissociation by microwave plasmas: prospects and challenges" um 10:15 in NB 5/158 halten. Jeder, der Interesse hat, ist dazu herzlich eingeladen!

Biologie

Wie sich Bakterien gegen Plasmabehandlung schützen

Plasmen werden zum Beispiel in der Wundbehandlung gegen Krankheitserreger eingesetzt, die gegen Antibiotika resistent sind. Doch Bakterien könnten sich wehren.

Angesichts von immer mehr Bakterien, die gegen Antibiotika resistent werden, setzt die Medizin unter anderem auf die Behandlung mit Plasmen. Forscherinnen und Forscher der RUB haben gemeinsam mit Kollegen aus Kiel untersucht, ob Bakterien auch dagegen unempfindlich werden können.

Sie identifizierten 87 Gene des Bakteriums Escherichia coli, die möglicherweise eine schützende Funktion gegen wirksame Bestandteile von Plasmen haben. „Diese Gene erlauben Rückschlüsse auf die antibakteriellen Mechanismen von Plasmen“, so Marco Krewing. Er ist Erstautor von zwei Publikationen, die dieses Jahr in der Zeitschrift „Journal of the Royal Society Interface“ veröffentlicht wurden.

Ein Cocktail schädlicher Komponenten stresst Erreger

Plasmen entstehen aus Gasen, wenn man ihnen Energie zuführt. Schon heute sind Plasmen gegen multiresistente Erreger im klinischen Einsatz. Mit ihnen werden zum Beispiel chronische Wunden behandelt. „Plasmen liefern einen komplexen Cocktail von Komponenten, von denen viele bereits für sich genommen eine desinfizierende Wirkung haben“, erklärt Prof. Dr. Julia Bandow, Leiterin der Arbeitsgruppe Angewandte Mikrobiologie der RUB. UV-Strahlung, elektrische Felder, atomarer Sauerstoff, Superoxid, Stickoxide, Ozon und angeregter Sauerstoff oder Stickstoff wirken gleichzeitig auf die Krankheitserreger ein und erzeugen damit erheblichen Stress. Normalerweise überleben sie das nicht länger als einige Sekunden oder Minuten.

Um herauszufinden, ob Bakterien, ähnlich wie gegen Antibiotika, auch gegen die Auswirkungen von Plasmen resistent werden können, haben die Forscherinnen und Forscher das gesamte Genom des Modellbakteriums Escherichia coli, kurz E. coli, auf bereits existierende Schutzmechanismen untersucht.

Je ein einziges Gen fehlt

Die Forscher nutzten für ihre Studie sogenannte Knock-out-Stämme von E. coli. Das sind Bakterien, denen jeweils genau ein bestimmtes Gen des etwa 4.000 Gene umfassenden Genoms entfernt wurde. Sie setzten jede dieser Mutanten dem Plasma aus und beobachteten dann, ob sich die Zellen danach noch weiter vermehrten.

„Wir konnten zeigen, dass 87 dieser Knock-out-Stämme empfindlicher gegenüber Plasmabehandlung waren als der Wildtyp, dem kein Gen fehlt“, so Marco Krewing. Die in diesen 87 Stämmen fehlenden Gene schauten sich die Forscher genauer an und fanden heraus, dass die meisten der Gene die Bakterien gegen die Wirkungen von Wasserstoffperoxid, Superoxid und/oder Stickstoffmonoxid schützen.

Hitzeschockprotein erhöht Plasmaresistenz

Das Hitzeschockprotein Hsp33 zum Beispiel schützt E. coli-Proteine bei Stress vor dem Verklumpen. „Auch bei Plasmabehandlung wird dieses Protein aktiv und schützt die anderen E. coli-Proteine und damit die Bakterienzelle“, so Bandow. Eine erhöhte Menge dieses Proteins alleine führt zu einer leicht erhöhten Plasmaresistenz. Mit einer deutlich stärkeren Resistenzbildung gegen Plasmen ist zu rechnen, wenn die Mengen mehrerer Schutzproteine gleichzeitig erhöht sind.

 Von Meike Drießen

Auszeichnungen

Posterpreis für Christoph Stewig (A3) auf der Tagung für Plasmatechnik 19 in Cottbus

Christoph Stewig wurde auf der alle zwei Jahre stattfindenden Tagung für Plasmatechnik in Cottbus mit einem der drei Posterpreise ausgezeichnet.

Projekt B7 - Nanosekunden-Plasmen

Extreme Bedingungen in Plasmen in Flüssigkeiten

Nanosekundenplasmen in Flüssigkeiten spielen eine wichtige Rolle im Bereich der Dekontamination, Elektrolyse oder Plasmamedizin. Das Verständnis dieser sehr dynamischen Plasmen erfordert Informationen über die zeitliche Variation von Speziesdichten und Temperaturen. Dies wird durch die Beobachtung von Nanosekundenplasmen analysiert, die durch Hochspannungen (HV) zwischen 14 kV und 26 kV und Pulslängen von 10 ns erzeugt werden, die an eine in Wasser eingetauchte Wolframspitze mit 50 µm Durchmesser angelegt werden. Die Zündung des Plasmas bewirkt die Bildung einer Kavitationsblase, die mit Hilfe der Schattengrafie überwacht wird, um die Dynamik der erzeugten Blase und die Schallgeschwindigkeit der emittierten akustischen Wellen in der Umgebung dieser Wolframspitze zu messen.

Die zeitliche Entwicklung der Blasengröße wird mit der Kavitationstheorie verglichen und ergibt eine gute Übereinstimmung für einen anfänglichen Blasenradius von 25 µm mit einem Anfangsdruck von GPa bei einer Temperatur von 1200 K für eine Hochspannung von 18 kV. Daraus ergibt sich eine Anfangsenergie im Bereich von einigen 10-5 J, die mit der angelegten Hochspannung variiert. Die dissipierte Energie des Plasmas treibt die adiabatische Ausdehnung des Wasserdampfs innerhalb der Blase vom anfänglichen überkritischen Zustand in einen Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur bei maximaler Blasenausdehnung, die Werte von 10^3 Pa bzw. 50 K erreicht. Diese Vorhersagen aus der Kavitationstheorie werden durch die optische Emissionsspektroskopie (OES) untermauert. Nach dem Zünden des Nanosekunden-Plasmas oszilliert die elektrische Leistung in der Zuleitung zwischen HV-Pulser und Plasmakammer mit einer Abklingzeit in der Größenordnung von 60 ns. Diese reflektierten Pulse zünden das Plasma innerhalb der expandierenden Blase periodisch neu. Breitbandige Emission aufgrund von Rekombination und Bremsstrahlung wird innerhalb der ersten 100 ns sichtbar. Zu späteren Zeiten dominiert die Linienemission. Die Starke Verbreiterung der Spektrallinien von H_alpha (656 nm) und OI (777 nm) wird ausgewertet, um sowohl die Elektronendichte als auch die Elektronentemperatur in diesen wiedergezündeten Plasmen zu bestimmen.

Posterpreis

Posterpreis für Patrick Preissing (A6) auf dem 8. Internationale Workshop zur Plasmaspektrokopie in Oxford

Der 8. Internationale Workshop zur Plasmaspektrokopie fand vom 23. bis 26. September 2018 am Worcester College in Oxford, UK statt. Volker Schulz- von der Gathen, Patrick Preissing und Katharina Grosse vom Lehrstuhl für Experimentalphysik II waren mit 2 Vorträgen und 3 Posterpräsentationen beteiligt. Einer von zwei Posterpreisen wurde von Patrick Preissing gewonnen, was während des Konferenzdinners bekannt gegeben wurde. Die Exkursion zum Blenheim Palace war neben dem hervorragenden wissenschaftlichen Programm ein Highlight der Konferenz.

Projekt A3 - Anregungstransfer

Nicht-Gleichgewichts-Anregung von CO2 in einem Atmosphärendruck-Helium-Plasmastrahl

Erste Ergebnisse zur Nicht-Gleichgewichts-Anregung und Dissoziation von CO2 in einem Atmosphärendruck-Helium-HF-Plasmastrahl. Ziel des Projektes A3 im SFB 1316 und des BMBF-Projektes Carbon2Chem ist die Trennung von Plasma- und Oberflächenchemie, die am Beispiel einer dem Edelgas beigemischten CO2-Plasmaanregung innerhalb des Plasmastrahls untersucht wird. Diese Methode bietet die Möglichkeit, sowohl die Gastemperatur des Feedgases als auch die Molekülanregung durch niederenergetische Elektronen oder durch Penning-Kollisionen mit den angeregten Edelgasatomen oder Dimeren zu steuern. Der Plasmastrahl wird mit unterschiedlicher absorbierter Plasmaleistung und Beimischung von CO2 betrieben. Die Anregung des CO2 wird durch in-situ-Aufbau der Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie überwacht. Die Konzentrationen von CO2 und dem erzeugten CO werden analysiert. Weiterhin werden die Schwingungs- und Rotationstemperaturen der möglichen Freiheitsgrade der gemessenen Moleküle bestimmt.

Die Gaszufuhr des Atmosphärendruck-Plasmastrahls war Helium, wegen des großen Massenunterschieds und des damit verbundenen schlechten Impulsübergangs auf CO2. Daraus resultiert das geringste kollisionelle Quenchen aller Edelgase. Der planparallele Plasmastrahl wird mit RF betrieben. Diese Art der Plasmaquelle ist hinsichtlich ihrer Plasmaphysik und -chemie für verschiedene Gasgemische aus Edelgasen und Molekülen bereits sehr gut untersucht.

Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist die deutliche Nicht-Gleichgewichtsanregung von CO2 und CO. Im Detail liegt die Rotationstemperatur von CO unter 400 K und im Gegensatz dazu erreicht die Schwingungstemperatur Werte bis zu 1600 K, und die Temperatur der Anregung der asymmetrischen Schwingung von CO2 liegt bei etwa 700 K. Der Einfluss der variablen Plasmaleistung und der Beimischung von CO2 zum He-Gasstrom ist eher schwach. Es wird angenommen, dass die Schwingungs- und Rotationsanregung von CO hauptsächlich aus der Zerfallsreaktion stammt, entweder durch direkten Elektronenstoß von CO2 oder durch Penning-Dissoziation zwischen CO2 und angeregten Helium-Metastabilen. Aus diesem elektronischen Energietransfer auf CO2 werden durch Dissoziation hoch schwingungsangeregte CO-Moleküle erzeugt.

Das Nicht-Gleichgewicht ist auf die Art der Anregung der Moleküle durch Kollisionen mit Elektronen mit Energien größer als 7 eV an den schwingenden Mantelkanten und Penning-Kollisionen mit angeregten Heliumatomen zurückzuführen. Die niedrige Temperatur des Rotationsgases wird durch das Helium-Plasmagas erklärt, das als Puffer wirkt.

Dieser Nicht-Gleichgewichtscharakter bietet weitere Untersuchungen im Bereich der Plasmakatalyse, durch die die Reaktionsgeschwindigkeit einer gewünschten katalytischen Reaktion unterstützt wird. Dabei ist es wichtig, dass die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch die Einwirkung angeregter Moleküle und nicht durch eine ungewollte Erwärmung der Katalysatoroberfläche durch das Plasma selbst erfolgt.

In Zukunft sollen die Experimente auf andere Gasgemische ausgeweitet und der Einfluss von katalytisch aktiven Oberflächen untersucht werden.

Projekt A7 - Katalyse
Katalytische Oxidation von Kohlenmonoxid mit kaliumdotierten Mangandioxid-Nanopartikeln, die durch Sprühtrocknung synthetisiert wurden

Eines der Hauptziele des SFB 1316 ist die Untersuchung und das Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen einem nichtthermischen Plasma und heterogenen Katalysatoren. Die ersten Ergebnisse des Projekts A7, die die thermokatalytische Oxidation von CO über MnO₂-Katalysatoren beschreiben, wurden kürzlich in Emission Control Science and Technology veröffentlicht. Insbesondere wurde die Wirkung der eingebauten Alkaliionen K⁺ und Na⁺ auf die strukturellen Eigenschaften und die katalytische Leistung hervorgehoben, um Struktur-Aktivitäts-Korrelationen abzuleiten.

Die MnO₂-Katalysatoren wurden durch ein halbkontinuierliches Sprühtrocknungsverfahren auf der Grundlage der Komproportionierungsreaktion von Mn(NO₃)₂ und KMnO₄ synthetisiert. Die Lösungen beider Verbindungen wurden in einem Mikromischer kontinuierlich gemischt und die entstehende Suspension wurde durch Sprühtrocknung schnell abgeschreckt, um weiteres Partikelwachstum zu verhindern. Um die K⁺-Ionen durch Na⁺-Ionen auszutauschen, wurde bei der Synthese NaMnO₄ anstelle von KMnO₄ verwendet. Nach dem Waschen und Trocknen der Katalysatoren erhielt man ein feines braunes Pulver, das wie vorbereitet verwendet oder bei 450°C oder 500°C für 4 Stunden in synthetischer Luft kalziniert wurde.

Wie die XPS-Ergebnisse und TPO-Profile zeigen, ist Mn (IV) die vorherrschende Oxidationsstufe aller Proben vor der Kalzinierung, was beweist, dass alle Katalysatoren aus MnO₂ bestehen. Die XRD-Muster der nicht kalzinierten Katalysatoren zeigen jedoch eine röntgenamorphe Struktur, die eine genauere Phasenidentifizierung verhindert. Nach der Kalzinierung hängt die Phasenstruktur stark von der Art und Menge des eingebauten Alkaliions ab. Die Anwesenheit von K⁺ fördert die Bildung von kristallinem α-MnO₂ und stabilisiert dessen Tunnelstruktur bis zu Temperaturen von 500°C. Geringere Mengen an K⁺ oder der Austausch mit Na⁺ führen zu weniger kristallinen Phasen nach der Kalzinierung bei 450°C und zur Bildung von kristallinem α-Mn₂O₃ nach der Kalzinierung bei 500°C.

Die katalytische CO-Oxidation wurde in einem Mikroreaktor durchgeführt, der mit einem nicht-dispersiven IR-Detektor ausgestattet war. Alle nicht kalzinierten Katalysatoren zeigten eine ähnliche katalytische Leistung, unabhängig von der Art oder Menge des eingebauten Alkaliions. Obwohl die spezifische Oberfläche des Katalysators während der Kalzinierung von 77 m²/g auf 37 m²/g abnahm, wies die reine alpha-MnO₂-Phase eine überlegene katalytische Aktivität auf. Bei α-MnO₂ wurde die Temperatur, bei der eine vollständige Umwandlung erreicht wurde, um mehr als 100 °C in Richtung niedrigerer Temperaturen verschoben. Im Gegensatz dazu zeigen die Katalysatoren, die alpha-Mn₂O₃ enthalten, eine ähnliche katalytische Aktivität wie die nicht kalzinierten Katalysatoren, was darauf hindeutet, dass nicht nur der höhere Kristallinitätsgrad, sondern auch die strukturellen Eigenschaften von α-MnO₂ seine hohe katalytische Aktivität verursachen. Der Einbau von K⁺-Ionen ist erforderlich, um die Tunnelstruktur von α-MnO₂ zu stabilisieren.

DFG

SFB 1316 bewilligt

Nichtgleichgewichtsprozesse sind die Grundlage einer Vielzahl von Phänomenen in der Natur, wie z.B. Transport, Anregung von Atomen und Molekülen sowie Entanregung und Dissipation an Oberflächen. Der Nicht-Gleichgewichtscharakter von Plasmen ist aufgrund der hohen Energiedichte in diesen Systemen und der sehr selektiven Anregung z. B. nur der Elektronen besonders ausgeprägt. Bringt man diese Plasmen in Kontakt mit Festkörpern oder Flüssigkeiten, kann der Nichtgleichgewichtscharakter auf andere Aggregatzustände übertragen werden. Ein hervorragendes Beispiel sind plasmachemische Prozesse, die direkt an katalytisch aktive Oberflächen gekoppelt sind.

Der Einsatz von Nicht-Gleichgewichts-Atmosphärendruck-Plasmen ist besonders interessant, da sie sich am einfachsten mit chemischen Standardprozessen kombinieren lassen. Der Nicht-Gleichgewichtscharakter dieser Plasmen kann durch große Gasströme oder durch kurze gepulste Anregung, die starke Kühlmechanismen gewährleistet, kontrolliert werden. Dadurch kann eine große Vielfalt an gewünschten Plasmachemien oder Emissionsmustern nach einer empirischen Strategie eingestellt werden. Einem weiteren Fortschritt steht jedoch das fehlende grundlegende Verständnis dieser Entladungen und ihrer Wechselwirkung mit flüssigen und festen Grenzflächen entgegen.

Der Sonderforschungsbereich (SFB) 1316 "Transiente atmosphärische Plasmen - von Plasmen über Flüssigkeiten zu Festkörpern" adressiert diese Forschungsfragen durch die Kombination von Expertise in Plasmaphysik, Oberflächenphysik, Chemie, Biotechnologie und Ingenieurwissenschaften. Dieser SFB konzentriert sich auf transiente atmosphärische Plasmen auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen für die Nanostrukturierung und Aktivierung von katalytischen Oberflächen, für die Kopplung zur Katalyse und Biokatalyse sowie für elektrochemische Prozesse. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen diesen Plasmen und den begrenzenden Grenzflächen werden spezielle in-situ-, Echtzeit- und in-operando-Methoden zum Einsatz kommen. Das Forschungsprogramm folgt drei aufeinander aufbauenden Phasen vom Erreichen eines grundlegenden Verständnisses zu Beginn über die optimale Integration von Plasma und aktiver Oberfläche bis hin zum Upscaling dieser Plasmen. Der SFB 1316 sucht nach optimalen Lösungen für Systeme zur Energieumwandlung (solare Brennstoffe, CO2-Harvesting, Photokatalyse), für den Gesundheitsbereich (Entfernung flüchtiger organischer Verbindungen aus Luftströmen), für die Biotechnologie (plasmagestützte Biokatalyse) und für die technische Chemie (Bottom-up-Synthese von kleinen Molekülen zu wertvollen Chemikalien).