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&Uuml;ber das gesamte Jahr verteilt publiziert die Redaktion der Nachrichten aus der Chemie Trendberichte &uuml;ber alle chemischen Disziplinen hinweg.

Trendberichte

Atomar dünne kolloidale 2-D-Halbleiter bieten Potenzial für die Optoelektronik und photonische Quantentechnologie.
Die Photonik beschäftigt sich mit der schnellen Daten- und Informationsverarbeitung, die auf der Wechselwirkung von Lichtsignalen beruht. Beispiele dafür gibt es in der Optoelektronik und in der Nachrichtentechnik. Schon heute tauschen wir global enorme Datenmengen über optische Glasfasern aus (Abbildung 1).1) In Zukunft könnten neuartige Materialien weitere Fortschritte für optische Komponenten und die Datenverarbeitung durch photonische Quantentechnologien bringen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/DJq06AGkTJKXnvYQfhXI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Übertragenes Breitband-Gesamtdatenvolumen in Festnetzen in Deutschland in Milliarden Gigabyte (dunkelblau) und Durchschnitt pro Nutzer und Monat in Gigabyte (hellblau).1)</figcaption></figure>
<h2>Quasi-2-D-Halbleiter</h2>Graphen besteht aus einer zweidimensionalen (2-D) atomaren Lage Kohlenstoffatome, die interessante elektronische Eigenschaften aufweist, zum Beispiel außergewöhnlich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten von über 10 000 cm2·V–1·s–1.2,3) Seit dieser Entdeckung im Jahr 2004 und dem Nobelpreis dafür im Jahr 2010 sind auch ultradünne Quasi-2-D-Halbleiter in den Fokus der Forschung gerückt – „quasi“, da sie aufgrund der Materialstöchiometrie aus mindestens zwei Atomlagen bestehen. Anders als Graphen haben sie eine definierte Bandlücke und somit Potenzial für (opto)elektronische Anwendungen wie Transistoren und Leuchtdioden.4–8) Für deren Einsatz ist es essenziell, dass ein externer Stimulus wie Licht oder das Anlegen einer Spannung (An-Aus-Signal), den Stromfluss auslöst, dies ist nur mit halbleitenden Materialien erreichbar.Bei Photoanregung entstehen in 2-D-Halbleitern je nach Materialdicke freie Ladungsträger oder stark gebundene Elektronen-Loch-Paare, Exzitonen genannt,9,10) die bei ihrer Rekombination Licht einer bestimmten Wellenlänge aussenden. In ultradünnen 2-D-Halbleitern können die angeregten Ladungsträger als Exzitonen nach der Rekombination effiziente Emission aufweisen oder sind in dickeren Materialschichten als freie Elektronen und Löcher hochmobil.11–13) Starke Exziton-Bindungsenergien in ultradünnen Quasi-2-D-Halbleitern resultieren aus der verringerten Abschirmung von Elektron und Loch und einer erhöhten Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern (Abbildung 2).11,14)<figure><img src="https://media.graphcms.com/90GFe8VsSGqc68z2pjj6"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Exzitonen in Halbleitern. Die Bindungsenergien sind in 2-D- Materialien durch die verringerte dielektrische Abschirmung erhöht.14)</figcaption></figure>
<h2>Wo die Chemie ins Spiel kommt</h2>Für Spin- und Valleytronik oder auch für die Quantenkommunikation der Zukunft sind neue Materialien mit kontrollierbaren Eigenschaften begehrt. Spintronik nutzt den Spinzustand eines Elektrons für die Informationsverarbeitung anstelle der Ladung, Valleytronik die Bandstruktur eines Halbleiters. Atomar dünne 2-D-Halbleiter sind vielversprechende Kandidaten für solche Materialien. Sie lassen sich kolloidchemisch synthetisieren und in Richtung der benötigten Funktionalitäten maßschneidern.<h2>Van-der-Waals-Schichtstrukturen</h2>Übergangsmetall-Dichalkogenide (transition metal dichalcogenides TMDCs, zum Beispiel MoS2/MoSe2, WS2/WSe2) sind gängige Quasi-2-D-Halbleiter-Schichtmaterialien, die definierte Bandlücken weitgehend im sichtbaren Bereich aufweisen. Diese Materialien lassen sich häufig aus der Gasphase abscheiden, als einzelne Lagen vom Volumenmaterial delaminieren oder mit Ultraschallwellen aus der Flüssigkeit exfolieren.6,15,16)Durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) bilden sich atomar dicke 2-D-Strukturen aus gasförmigen Vorverbindungen auf einem Trägermaterial. Die so entstandenen TMDCs sind von hoher Qualität. Sie können aber nur in geringer Menge hergestellt werden, weswegen CVD für technische Anwendungen wenig praktikabel ist.Eine einzelne TMDC-Schicht besteht aus einer Monolage des Übergangsmetalls, das beidseitig von einem Chalkogen wie Schwefel oder Selen gesättigt ist (Abbildung 3). Da einzelne TMDC-Schichten elektronisch abgeschlossen sind, können sie durch Scherkräfte in einem geeigneten Lösungsmittel exfoliert, also schichtweise aufgetrennt werden. Die Exfoliationsmethode ist einfach durchzuführen, skalierbar und die Materiallagen bleiben weitgehend defektfrei. Sie hat aber auch Nachteile: Sie ist auf die Synthese von Schichtstrukturen begrenzt und liefert Quasi-2-D-Materialien mit unterschiedlicher Dicke im Ensemble, die im Anschluss an die Herstellung aufgetrennt werden müssen, beispielsweise durch Zentrifugieren.17) Bei TMDCs sind es gerade die Monolagen, die aufgrund ihrer schnellen Schaltzeiten als Transistor18) und exzellenten Photolumineszenz (direkter Bandlückenübergang im Vergleich zu indirektem Bandlückenübergang in TMDC-Multilagen) für die Spin- und Valleytronik- von Interesse sind.19,20)<figure><img src="https://media.graphcms.com/lcGanzc3RJGIh0y7wauP"><figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Stapelung innerhalb einer Übergangsmetall-Dichalkogenidschicht, b) Exfoliation ist möglich, weil die Wechselwirkung zwischen den einzelnen abgeschlossenen Lagen schwach ist.</figcaption></figure>
<h2>Synthese</h2>Eine Alternative für die genannten klassischen Herstellungsmethoden atomar dünner Quasi-2-D-Halbleiter sind kolloidchemische Methoden.7,21–24) So lassen sich auf diese Weise neben Van-der-Waals-Schichtmaterialien wie TMDCs25,26) oder InSe-Monolagen27) weitere, normalerweise isotrop kristallisierende Systeme wie Blei- und Cadmium-Chalkogenide als Quasi-2-D-Halbleiter herstellen, die durch Exfoliationsmethoden nicht zugänglich sind.13,28,29) Genutzt werden hierbei angepasste und weiterentwickelte Strategien aus der nasschemischen Synthese sphärischer Quantenpunkte.Abbildung 4 (S. 72) zeigt gängige Wege für die Herstellung von Quasi-2-D-Halbleitern. Bei der orientierten Anlagerung (Abbildung 4a) wachsen kleine Nanokristallkeime an ihren energiereichen Facetten zusammen und bilden über eine Oberflächenrekonstruktion eine 2-D-Strukur.28) Mit stabilisierenden, langkettigen organischen Oberflächenmolekülen, die als Ligandentemplat die anisotrope 2-D-Struktur unterstützen und bei deren Ausbildung helfen, lässt sich ebenfalls die Synthese von Quasi-2-D-Halbleitern beeinflussen (Abbildung 4b).27)<figure><img src="https://media.graphcms.com/mjHIniTQQYe50aAVF15G"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Synthesewege zu atomar dünnen Quasi- 2-D-Halbleitern: a) orientierte Anlagerung, b) Liganden-Templat-Ansatz, hier gezeigt für ultradünnes 2-D-InSe, c) kinetische kontrollierte Instabilität.21)</figcaption></figure>
Kristallkeime, die sich während der Synthese gebildet haben, wachsen bevorzugt entlang energetisch günstigerer enger Facetten, da bei gleicher Volumenänderung im Gegensatz zu einem Wachstum auf den weiten Facetten weniger Oberfläche entsteht (Abbildung 4c).21) Die synthetisierten Quasi-2-D-Halbleitermaterialien liegen als kolloidale Tinten vor und lassen sich so einfach als Beschichtung auf unterschiedliche Oberflächen und Trägermaterialien aufbringen, verdrucken oder in Polymermatrices einarbeiten.30) Dies wird langfristig ihr Upscaling und ihren Einsatz in der Verarbeitung ermöglichen, zum Beispiel in Roll-to-Roll-Verfahren, mit dem sich flexible Elektronik drucken lässt.<h2>Modellsystem Nanopartikel</h2>Cadmiumchalkogenide wie Cadmiumselenid (CdSe) sind Nanomaterial-Modellsysteme, die im sichtbaren Spektralbereich stark Licht absorbieren und emittieren. CdSe lässt sich als Quasi-2-D-Nanoplättchen, 1-D-Nanostäbchen oder 0-D-Quantenpunkt nasschemisch synthetisieren. Die optischen Eigenschaften hängen stark von den Dimensionen der Plättchen, Stäbchen oder Punkte ab. Die Bandlücke von CdSe wächst entsprechend des Größenquantisierungseffekts bei Quasi-2-D-Nanoplättchen mit abnehmender Dicke, bei Nanostäbchen mit abnehmender Länge und Durchmesser und bei Quantenpunkten mit abnehmendem RadiusDie Materialdicke lässt sich durch die beschriebene kolloidchemische Synthese atomar präzise kontrollieren.31–33) Durch diese Kontrolle sind Abweichungen, die beispielsweise in Quantenpunkten durch die inhärente Größenverteilung von fünf Prozent des Radius entstehen, in Quasi-2-D-CdSe-Nanoplättchen nicht zu finden. Dies führt zu sehr engen Absorptions- und Emissionsbanden mit hohen Quantenausbeuten in den Quasi-2D-Halbleitern (Abbildung 5). Hierdurch sind 2-D-CdSe-Nanoplättchen beispielsweise für Quantum-Dot-LCD-Bildschirme und -Fernseher interessant.<figure><img src="https://media.graphcms.com/x3nic5TqTA2Uiikk85g8"><figcaption><label>Abb. 5: </label>a) Abhängigkeit der Absorbanz und der Emission in 2-D-CdSe-Nanoplättchen von der Zahl der Monolagen; b) Transmissionselektronenmikroskopieaufnahme von Quasi-2-D-CdSe-Nanoplättchen.</figcaption></figure>
<h2>Quasi-2-D-Halbleiter für photonische Quantentechnologien</h2>Quasi-2-D-Halbleiter sind potenzielle Einzelphotonenquellen und damit als Materialien für die photonische Quantentechnologie interessant.34) So können in der Quantenkommunikation beispielsweise photonische Qubits zum sicheren Datenaustausch zwischen Sender und Empfänger dienen.35) Für eine optische Datentransmission über Glasfaserkabel wird typischerweise Licht mit Wellenlängen im (Nah-)Infrarotbereich, also dem ersten (800 bis 900 nm, nur noch selten), dem zweiten (1260 bis 1460 nm) und dem dritten (1460 bis 1565 nm) Telekommunikationsfenster genutzt. Diese Wellenlängen haben den Vorteil, dass eine Schwächung des Lichtsignals durch OH-Bandenabsorption und Rayleigh-Streuung in den Glasfaserkabeln vernachlässigbar ist. Daher ist der Bedarf an Quasi-2-D-Halbleitern mit Absorptions- und Emissionseigenschaften in diesen Telekommunikationsfenstern besonders hoch. Kandidaten sind zum Beispiel IV-VI-Halbleiter, zu denen die Bleichalkogenide Bleisulfid (PbS) und Bleiselenid (PbSe) gehören (Abbildung 6).<figure><img src="https://media.graphcms.com/lzQjgGysQmW853UZB5Um"><figcaption><label>Abb. 6: </label>Oben: Transmissions-Elektronenmikroskopieaufnahme von Quasi-2-D-PbS-Nanoplättchen, die im Nahinfrarot absorbieren und emittieren (Mitte).13) Unten: Die optischen Eigenschaften von Quasi-2-D-Bleichalkogenid-Nanoplättchen variieren mit ihrer lateralen Ausdehnung.</figcaption></figure>
Im Gegensatz zu kovalent gebundenen III-V-Halbleitern, die auch in der Halbleiterindustrie im Infrarotbereich eingesetzt werden, sind PbS und PbSe über kolloidchemische Synthesewege seit kurzem als Quasi-2-D-Halbleiter zugänglich.23)Nasschemisch hergestellte Quasi-2-D-PbS-Nanoplättchen zeigen Absorptions- und Emissionseigenschaften mit Quantenausbeuten von 20 Prozent nahe dem ersten Telekommunikationsfenster (Abbildung 6 oben und Mitte). Die optischen Eigenschaften von Quasi-2-D-PbSe-Nanoplättchen lassen sich über das zweite und dritte Telekommunikationsfenster (Abbildung 6, unten) variieren und weisen Photolumineszenz-Quantenausbeuten von 40 Prozent auf. Diese Quantenausbeuten lassen sich weiter erhöhen und bieten schon jetzt einen Vorteil gegenüber epitaktisch hergestellten Quantenpunkten.Die Untersuchung der Einzelphotonenemissionseigenschaften der Quasi-2-D-Infrarot-Nanoplättchen in Zukunft wird Aufschluss über ihre Eignung als effiziente Einzelphotonenquellen für die photonische Quantentechnologie geben.<h2>Drei Fragen an die Autorin: Jannika Lauth</h2>Welcher Trend ist in den letzten zwölf Monaten aufgekommen, den Sie so nicht erwartet haben?Wie einfach sich Online-Videotreffen umsetzen lassen. Man kann sich mit Mitarbeitenden, Studierenden und Kooperationspartner:innen austauschen, die Forschung geht voran, und man verliert weniger Zeit am Flughafen oder in der Bahn. Dennoch freue ich mich darauf, wenn Projekttreffen, Konferenzen und Vorlesungen wieder in Präsenz stattfinden.Welche Erkenntnis des vergangenen Jahrs war für Sie besonders wichtig?Die interessantesten Forschungsideen kommen zu Ruhezeiten, dann, wenn kurz Stillstand herrscht und man die Zeit und das Privileg hat, sich mit sich selbst und den Plänen auseinanderzusetzen.Auf welchem Gebiet der photonischen Quantentechnologie erwarten Sie in nächster Zeit die größten Fortschritte?In der Quanteninformation. Bis wir einen Quantencomputer einsetzen können, wird es noch dauern. Die Forschung ist hochaktiv, das Quantum Valley Lower Saxony zum Beispiel will im Jahr 2025 eine 50-Qubit-Maschine auf der Basis von Ionenfallen realisieren.Jannika Lauth leitet seit 2019 die Arbeitsgruppe für kolloidale 2-D-Halbleitermaterialien und Ultrakurzzeitspektroskopie am Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie der Universität Hannover und dem Exzellenzcluster PhoenixD. Sie hat an der Universität Hamburg Chemie studiert, bei Horst Weller promoviert und war Postdoc an der TU Delft und an der Universität Oldenburg. Beim Verfassen des Trendberichts hat sie ihr Doktorand André Niebur unterstützt. Niebur hat Nanotechnologie an der Uni Hannover und Chemie an der TU Dresden studiert. Seit Ende 2019 arbeitet er an seiner Promotion über ultradünne Übergangsmetall-Dichalkogenide.<div><img src="https://media.graphcms.com/wnnY8XsITiCh2pfAqjdB">

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<ul class="references"><li>
1 Bundesnetzagentur, Jahresbericht 2019 – Netze Für Die Digitale Welt, 2020</li><li>
2 K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov et al. Science 2004, 306, 666–669</li><li>
3 A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2007, 6, 183–191</li><li>
4 A. G. Kelly, T. Hallam, C. Backes et al., Science 2017, 356, 69–73</li><li>
5 Z. Wang, Q. Jingjing, X. Wang et al., Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 6128–6174</li><li>
6 V. Nicolosi, M. Chhowalla, M. G. Kanatzidis, M. S. Strano, J. N. Coleman, Science 2013, 340, 1226419</li><li>
7 M. Nasilowski, B. Mahler, E. Lhuillier, S. Ithurria, B. Dubertret, Chem. Rev. 2016, 116, 10934–10982</li><li>
8 P. Miró, M. Audiffred, T. Heine, Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 6537–6554</li><li>
9 H. Mathieu, P. Lefebvre, P. Christol, Phys. Rev. B 1992, 46, 4092–4101</li><li>
10 H. Haug, S. W. Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors, Fifth Edition, World Scientific Publishing Co., Singapur 2009</li><li>
11 A. Chernikov, T. C. Berkelbach, H. M. Hill et al. Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 076802</li><li>
12 J. Lauth, M. Failla, E. Klein, C. Klinke, S. Kinge, L. D. A. Siebbeles, Nanoscale 2019, 11, 21569–21576</li><li>
13 F. Manteiga Vázquez, Q. Yu, L. F. Klepzig, L. D. A. Siebbeles, R. W. Crisp, J. Lauth, J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 680–685</li><li>
14 A. M. Steiner, F. Lissel, A. Fery, J. Lauth, M. Scheele, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 1152–1175</li><li>
15 W. Choi, N. Choudhary, G. H. Han, J. Park, D. Akinwande, Y. H. Lee, Mater. Today 2017, 20, 116–130</li><li>
16 Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699–712</li><li>
17 C. Backes, B. M. Szydłowska, A. Harvey et al., ACS Nano 2016, 10, 1589–1601</li><li>
18 B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 147–150</li><li>
19 P. Rivera, K. L. Seyler, H. Yu, J. R. Schaibley, J. Yan, D. G. Mandrus, W. Yao, X. Xu, Science 2016, 351, 688–691</li><li>
20 H. Zeng, J. Dai, W. Yao, D. Xiao, X. Cui, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 490–493</li><li>
21 A. Riedinger, F. D. Ott, A. Mule et al., Nat. Mater. 2017, 16, 743–748</li><li>
22 F. Wang, Y. Wang, Y.-H. Liu, P. J. Morrison, R. A. Loomis, W. E. Buhro, Acc. Chem. Res. 2015, 48, 13–21</li><li>
23 C. Bouet, B. Mahler, B. Nadal et al., Chem. Mater. 2013, 25, 639–645</li><li>
24 E. Lhuillier, S. Pedetti, S. Ithurria, et al., Acc. Chem. Res. 2015, 48, 22–30</li><li>
25 B. Mahler, V. Hoepfner, K. Liao, G. A. Ozin, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14121–14127</li><li>
26 P. Zhou, I. Tanghe, P. Schiettecatte, D. van Thourhout, Z. Hens, P. Geiregat, J. Chem. Phys. 2019, 151, 164701</li><li>
27 J. Lauth, F. E. S. Gorris, M. Samadi Khoshkhoo et al., Chem. Mater. 2016, 28, 1728–1736</li><li>
28 C. Schliehe, B. H. Juarez, M. Pelletier et al., Science 2010, 329, 550–553</li><li>
29 A. H. Khan, R. Brescia, A. Polovitsyn, I. Angeloni, B. Martín-García, I. Moreels, Chem. Mater. 2017, 29, 2883–2889</li><li>
30 F. Yan, S. T. Tan, X. Li, H. V. Demir, Small 2019, 15, 1902079</li><li>
31 S. Ithurria, B. Dubertret, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16504–16505</li><li>
32 F. D. Ott, A. Riedinger, D. R. Ochsenbein, P. N. Knüsel, S. C. Erwin, M. Mazzotti, D. J. Norris, Nano Lett. 2017, 17, 6870–6877</li><li>
33 A. S. Mule, S. Mazzotti, A. A. Rossinelli et al., J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 2037–2048</li><li>
34 J. L. O’Brien, A. Furusawa, J. Vuckovic, Nat. Photonics 2009, 3, 687–695</li><li>
35 C. J. Chunnilall, I. P. Degiovanni, S. Kück, I. Müller, A. G. Sinclair, Opt. Eng. 2014, 53, 081910</li></ul>

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Trendbericht Physikalische Chemie: Zweidimensionale Halbleiter

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Kaffee löst im Körper viele Reaktionen aus – zum Beispiel regt er Geschmacksrezeptoren an und macht wach. Ob er unterm Strich der Gesundheit nutzt oder eher schadet, ist nicht endgültig geklärt, obwohl neuere Forschung meist auf positive Effekte hinweist.
Die Kultur des Kaffees hat sich – zum Glück, werden viele sagen – schon lange in unserer Zivilisation etabliert, bevor die Wissenschaft überhaupt die Möglichkeit hatte, seinen Einfluss auf den Menschen genauer unter die Lupe zu nehmen. Seine Wirkungen auf Körper und Geist sind stärker als bei manchen illegalen Drogen, und die Forschung findet bis heute Wege und Mechanismen, über die er auf uns wirkt, vom Geschmack auf der Zunge über Herz und Kreislauf, bis hin zu Gehirn, Gemüt und geistiger Leistungsfähigkeit.<h2>In Mund und Magen</h2>Kaffee ist ein komplexes Gemisch, und das fängt schon bei seiner Geschmackswirkung an. Einen der Geschmacksstoffe des Kaffees kennen wir schon lange, nämlich das Coffein, das anregend wirkt.Dieses mit den Purinen verwandte Alkaloid mag zwar für die Beliebtheit des Kaffees verantwortlich sein, aber für den bitteren Geschmack sind andere Inhaltsstoffe wichtiger.Die Arbeitsgruppe von Maik Behrens am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie in Freising hat jetzt systematisch getestet, wie fünf bittere Stoffe, die im Kaffee vorkommen, auf 25 Typen menschlicher Bitterrezeptoren, auch TAS2R genannt, wirken.1) Es handelt sich hier – wie bei anderen Geruchs- und Geschmackssensoren – um G-Protein-gekoppelte Membranrezeptoren, deren Aktivierung letztendlich ein Calciumsignal auslöst. Dementsprechend bauten die Freisinger ihre künstliche Zunge für die Experimente, indem sie in aus menschlichen Zellen gewonnene Kulturen jeweils eine der 25 Versionen von Bitterrezeptoren herstellten. Anschließend ermittelten sie die Reaktion der Zellen mit Fluoreszenzmarkern für freigesetztes Calcium quantitativ.Demnach sprechen vor allem zwei Bitterrezeptoren auf den Kaffeegeschmack an, nämlich TAS2R46 und TAS2R43. Diese werden 30-fach stärker von einer nur in Arabica-Sorten vorhandenen Substanz namens Mosambiosid angesprochen, die erst im Jahr 2015 als Geschmackskomponente identifiziert wurde.2) Es handelt sich um ein Furokauranglycosid, das beim Rösten teilweise zerstört wird. Doch der Restbestand von rund 200 nmol· g–1 landet beim Aufbrühen vollständig im Getränk. Die beim Rösten aus Mosambiosid entstehende Substanz Bengalensol ist sogar 300-fach wirksamer darin, die Rezeptoren für bitteren Geschmack zu aktivieren.Der Geschmacksstoff Kahweol ist nur wenig bitter, hat aber eine hohe Affinität gegenüber dem Rezeptor TAS2R43. Dieser Stoff könnte den Kaffee weniger bitter machen, vermuten die Freisinger Forscher, da er den stärkeren Geschmacksstoffen den Zugang zu Rezeptorbindungsstellen versperrt.Die physiologische Bedeutung dieser Erkenntnisse lässt sich allerdings nicht auf das Geschmackserlebnis beschränken, da diese Rezeptoren auch anderswo im Körper vorkommen. Der Rezeptor TAS2R43 tritt auch im Magen auf und wirkt dort an der Ausschüttung von Magensäure mit. Wie sich die Bitterstoffe des Kaffees im Magen auswirken, bleibt allerdings noch zu erforschen.<h2>Gesund fürs Herz?</h2>Im 20. Jahrhundert zählte Kaffee eher zu den Genussmitteln, auf die wir ungern verzichten, obwohl sie eventuell unserer Gesundheit schaden: Kaffee sei schlecht für Herz und Kreislauf, und manch einer stellte aufgrund solcher Befürchtungen auf schonende oder gar entkoffeinierte Versionen des Getränks um. Die Weltgesundheitsorganisation WHO setzte den Kaffee im Jahr 1991 sogar auf die Liste der Lebensmittel, die im Verdacht stehen, Krebs auszulösen.Für die vermeintliche Assoziation gab es jedoch eine einfache, für die beteiligten Experten ziemlich peinliche Erklärung. Sie hatten nicht berücksichtigt, dass genusssüchtige Kaffeefans auch andere Kicks suchen. So rauchten sie häufiger als die Kaffeeverweigerer. Sobald der Störfaktor Rauchen bei den Studien ausgeschaltet war, verschwanden einige der vermeintlich gesundheitsschädlichen Wirkungen des Kaffees, und insbesondere die Assoziation mit Krebs. Dies schreibt Amanda Vest vom Tufts Medical Center in Boston, USA, in einem Kommentar zu der im Folgenden diskutierten Studie.3)Ob der Kaffee nun unterm Strich sogar Herz und Kreislauf nützt, ist noch zu ermitteln. Aber immer mehr Studien weisen in diese Richtung. Die Arbeitsgruppe von David Kao an der University of Colorado in Aurora zum Beispiel hat die Daten aus drei langfristigen Studien durchforstet, welche die Häufigkeit von Herzversagen thematisieren. Sie suchten mit künstlicher Intelligenz ganz hypothesefrei nach Korrelationen und kamen zu dem Schluss: Täglich zwei bis drei Tassen Kaffee zu genießen – jeweils acht amerikanische Unzen, also knapp 240 mL – ist mit einem geringeren Risiko des Herztods assoziiert. Erstaunlicherweise gilt dies nur für normalen Kaffee mit Koffein, der entkoffeinierte scheint eher zu schaden.4)Diese Auswertung beruht auf den über Jahrzehnte gesammelten Daten von mehr als 20 000 Menschen und ist somit statistisch fundiert. Allerdings weist sie keinen Kausalzusammenhang nach, gibt Vest in ihrem Kommentar zu bedenken. Vorstellbar wäre etwa, dass Menschen mit gesünderen Herzen instinktiv lieber zum Kaffee greifen und damit eine Korrelation erzeugen, deren Kausalverbindung genau andersherum verläuft. Zum strikten Nachweis wären groß angelegte klinische Studien nötig. Und die sind schon allein deshalb schwierig, weil die meisten Menschen eine ausgeprägte Meinung dazu haben, wann sie wie viel Kaffee zu sich nehmen wollen.Eine positive Wirkung auf Herz und Kreislauf wäre nach heutigem Kenntnisstand durchaus plausibel. Schließlich enthält Kaffee Antioxidanzien wie Polyphenole und Phenolsäuren.<h2>Gehirn und Geist</h2>Dass Koffein geistige Leistungen fördert, ist belegt – mit Koffeintabletten und Placebos lassen sich ja leicht Experimente ausführen, um diese Wirkung zu untersuchen. Selbst von Bienen wissen wir seit einigen Jahren, dass Koffein aus Blüten ihr Gedächtnis stärkt.5) Dieser Zusammenhang liefert eine Erklärung dafür, warum Pflanzen eine solche psychoaktive Substanz überhaupt herstellen.Wenn man es mit dem Kaffeekonsum übertreibt, kann das den Schlafrhythmus stören. Und wenn man schlecht schläft, kann dies das Gehirn verändern. Deshalb führte die Arbeitsgruppe von Carolin Reichert und Christian Cajochen an der Universität Basel eine placebokontrollierte Doppelblindstudie durch, in der sie die Wirkung von Koffein auf Schlaf und Gehirnstruktur untersuchten.Wie sie zu ihrer Überraschung feststellten, beeinträchtigten die verabreichten Koffeindosen (durchschnittlich etwa dreimal 95 mg)7) etwa zwar nicht den Schlaf der Probanden, führten aber zu Veränderungen an der grauen Substanz des Gehirns – also der Substanz, die überwiegend aus Zellkörpern der Nervenzellen besteht.Da alle Versuchspersonen normalerweise im Alltag Kaffee tranken, handelte es sich eher um ein Entzugsexperiment, mit einer Koffein-gruppe als Kontrolle. In der Placebogruppe, welche die eigentliche physiologische Umstellung erfuhr, hatte das Volumen der grauen Substanz nach zehn Tagen Kaffee-Abstinenz zugenommen. Betroffen von der Veränderung waren vor allem der rechte mediale Schläfenlappen und der Hippocampus, eine Hirnregion, die für die Gedächtniskonsolidierung wichtig ist.Aus den Entzugsfolgen schlossen die Forscher: Der normale alltägliche Kaffeekonsum lässt die graue Substanz etwas schrumpfen. Diese Wirkung sei aber reversibel, da die Masse sich im Zeitrahmen des Experiments wieder ausdehnte. Allerdings ist es ebenso wie bei den Auswirkungen aufs Herz noch nicht geklärt, ob Kaffee langfristig gut oder schlecht für den Kopf ist. Vielleicht zahlen wir also auf lange Sicht einen gesundheitlichen Preis für die kurzfristige Anregung, die uns immer wieder zum Kaffeetrinken verlockt.Bei vielen Menschen ist die anregende Wirkung des Kaffees schon so fest in der Psyche verankert, dass allein der Gedanke an dieses Getränk stimulierend wirkt. Dies zeigten die Psychologen Eugene Chan und Sam Maglio an der Universität von Toronto, Kanada, mit Experimenten, in denen sie Probanden unterschwelligen Hinweisen auf Kaffee oder Tee aussetzten.8) Nur der Gedanke an Kaffee, nicht aber der an Tee führte zu einer Anregung. Diese maßen die Forscher daran, dass die Versuchspersonen Zeitintervalle kürzer einschätzten und in konkreteren, präziseren Begriffen dachten.Vielleicht kann dieser psychologische Mechanismus auch dazu beitragen, dass die Wirkungen des Kaffees auf Körper und Geist weiterhin erforscht werden.Der promovierte Chemiker Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a>Quelle: Fernando Rebelo/Wikimedia Commons<figure><img src="https://media.graphcms.com/bsVquvf1QhCpi6UZR4FW"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Kaffeekirschen in verschiedenen Reifestadien. Roter Catucaí-Kaffee, eine Arabicavarietät, hier in Matipó City (Brasilien).</figcaption></figure>
<figure><img src="https://media.graphcms.com/o73ZluXuRsmav0T029iB"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Illustration: kittyfly/AdobeStock</figcaption></figure>
<h2>AUF EINEN BLICK</h2>Koffein ist zwar der bekannteste Inhaltsstoff des Kaffees. Für dessen bitteren Geschmack sind aber andere Moleküle wichtiger.Einige der Kaffeeinhaltsstoffe docken an Rezeptoren an, die nicht nur im Mund vorkommen, sondern beispielsweise auch im Magen.Ob Kaffee gesund fürs Herz ist, ist nicht zweifelsfrei nachzuweisen. Nach neuesten Erkenntnissen verändert er die graue Gehirnsubstanz.
<ul class="references"><li>
1 T. Lang, R. Lang, A. Di Pizio et al., J. Agric. Food Chem. 2020, 68, 6692–6700</li><li>
2 R. Lang, S. Klase, A. Beusch, A. Dunkel, T. Hofmann, J. Agric. Food Chem. 2015, 63, 10492–10499</li><li>
3 A. R. Vest, Circ. Heart Fail. 2021, 14, e008297</li><li>
4 L. M. Stevens, E. Linstead, J. L. Hall, D. P. Kao, Circ. Heart Fail. 2021, 14, e006799</li><li>
5 M. Groß, Chem. Unserer Zeit 2013, 47, 146</li><li>
6 Y.-S. Lin, J. Weibel, H.-P- Landolt et al., Cereb. Cortex 2021, bhab005</li><li>
7 <a href="https://healthline.com/nutrition/how-much-caffeine-in-coffee" target="_blank">healthline.com/nutrition/how-much-caffeine-in-coffee</a></li><li>
8 E. Y. Chan, S. J. Maglio, Conscious. Cogn. 2019, 70, April, 57–69</li></ul>

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Trendbericht Physikalische Chemie: Zweidimensionale Halbleiter

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