LABOR

Grundlage für Forschung und Alltag

Die Internationale Temperaturskala

Die Temperatur gehört allgemein zu den wichtigsten und am häufigsten gemessenen physikalischen Grössen. Sie ist ein wichtiger Parameter in vielen Forschungsbereichen und muss dementsprechend genau und verlässlich messbar sein. Seit April 2020 realisiert das Eidgenössische Institut für Metrologie (Metas) wieder die aktuelle Internationale Temperaturskala (ITS-90). Sie ist die Grundlage verschiedenster nachgefragter Dienstleistungen im In- und Ausland.

Remo Senn ¹

Praktisch alle mechanischen, elektrischen, magnetischen oder optischen Eigenschaften von Materie sind mehr oder weniger stark temperaturabhängig. Somit besteht die Notwendigkeit einer zusätzlichen Bestimmung der Temperatur bei den meisten Messungen anderer Grössen und gleichzeitig stellt genau diese Temperaturabhängigkeit die Grundlage vieler Methoden zur Temperaturmessung dar. Zudem steht die praktische Nutzung der Thermometrie in engem Zusammenhang mit allen wesentlichen Bereichen der Industrie, des Energiesektors, der Biologie und Medizin und der Meteorologie. Gleichzeitig ist die Temperatur sehr häufig ein wichtiger Kontroll- und Steuerungsparameter vieler Experimente in allen Forschungsbereichen.

Ein international anerkanntes Labor

In den letzten rund zehn Jahren realisierte ein vom Metas bezeichnetes designiertes Institut (DI) die Einheit Kelvin über die bis heute aktuelle Internationale Temperaturskala von 1990 (ITS-90). Dafür wurde dem DI die am Metas bereits vorhandene ITS-90-Realisierung zu Verfügung gestellt, um die Dienstleistungen in diesem Bereich erbringen zu können. Das komplette Equipment verblieb aber im Besitz des Metas und somit auch die Verantwortung und Sicherstellung dieser Infrastruktur. Das DI betrieb die operative Infrastruktur und bot Kalibrier-Dienstleistungen an. Aus gemeinsamen strategischen Überlegungen

Die Temperatur ist faszinierend. Vermeintlich kleine Temperaturunterschiede können verheerend sein, wenn man nur an die Körpertemperatur des Menschen denkt.

wurde diese Zusammenarbeit Ende März 2020 offiziell beendet und das Metas hat seine Aktivitäten im Bereich der Thermometrie wieder aufgenommen. Als Konsequenz wurde das bestehende «ITS-90 Labor» des Metas wieder zurück transferiert und in neue geeignete Räumlichkeiten integriert. Um die erforderlichen Anerkennungen in den internationalen Fachgremien (Technisches Komitee für Thermometrie Euramet, Konsultativkomitee des BIPM) zu erhalten, mussten internationale Peer-Reviews auf technischer Ebene und im Bereich des Qualitätsmanagements durchgeführt werden (in diesem Falle mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Deutschland). Alle notwendigen Schritte und die offizielle Anerkennung konnten bis im März 2020 erfolgreich implementiert und eine lückenlose Realisierung der ITS-90 in der Schweiz sichergestellt werden. Das Metas verfügt somit wieder über ein international anerkanntes Thermometrie-Labor und baut auf Basis der ITS-90 verschiedene nachgefragte Dienstleistungen auf.

Die Boltzmann-Konstante und die Unsicherheit

Durch die Fixierung des Tripelpunktes von Wasser als Referenzpunkt ohne Unsicherheiten waren die Bestimmungen der Boltzmann-Konstante mit einer dazugehörigen Unsicherheit behaftet. Durch die Neudefinition wurde diese Situation umgedreht. Die Boltzmann-Konstante wird ohne Unsicherheit fixiert bzw. die Unsicherheit dem Tripelpunkt von Wasser «vererbt». Reine thermodynamische Systeme, nur auf der Boltzmann-Konstante basierend, sind nach wie vor nur mit enormen Aufwand realisierbar. Zudem liefern sie nicht in jeden Fall ein praktisch einsetzbares System. Diese heu-

Aktuelle Kalibrierdienstleistungen der Thermometrie am Metas.

tige Situation bestand bereits in ähnlicher Weise vor rund 100 Jahren. Deshalb wurde 1927 eine zweite parallele Temperaturskala eingeführt.

Neue Definitionen der Basiseinheiten

Durch die Revision des SI gelten seit Mai 2019 für alle sieben Basiseinheiten neue Definitionen auf der Basis von Naturkonstanten. Im Falle der Basiseinheit Kelvin wird dies über die Boltzmann-Konstante K erreicht. Aus der neuen Definition folgt, dass ein Kelvin gleich der Änderung der thermodynamischen Temperatur ist, die sich aus einer Änderung der Wärmeenergie kT von 1,380 649 × 10–23 Joule ergibt. Prinzipiell kann jeder physikalische Zusammenhang, welcher über die statistische Mechanik verstanden wird, zur direkten Realisierung der thermodynamischen Temperatur genutzt werden. Zurzeit werden durch das Konsultativkomitee folgende Verfahren empfohlen: akustische Gasthermometrie, radiometrische Thermometrie, polarisierende Gasthermometrie und Rauschthermometrie.

Die Fixpunkte

Die thermodynamische Temperatur wurde historisch sehr lange über den Tripelpunkt von Wasser (273,16 K oder 0,01 °C) und den absoluten Nullpunkt (0 K oder –273,15 °C) definiert. Ein Tripelpunkt (auch Dreiphasenpunkt) ist ein Zustand eines aus einer einzigen Stoffkomponente bestehenden Systems, in dem Temperatur und Druck dreier Phasen – fest, flüssig und gasförmig – im thermodynamischen Gleichgewicht stehen. Mit der Festlegung eines Fixpunktes und eines Thermometers, welches auf den fundamentalen Prinzipen der statistischen Mechanik basiert, konnte in der Theorie jede beliebige Temperatur erreicht werden. Diese praktische Temperaturskala wurde über die Jahre auch immer wieder angepasst. Die momentan gültige Version dieser praktischen Umsetzung – die Internationale Temperaturskala 1990 (ITS-90) – basiert auf Fixpunkten, welche sich über die Phasenübergangsphänomene (Schmelz-, Erstarrungs- und Tripelpunkten) von weiteren Materialen definieren. Zusätzlich benötigt diese Skala, je nach Bereich, ein geeignetes und definiertes Interpolationsinstrument, um die Werte zwischen den Fixpunkten abzubilden. Zur Überprüfung und Anpassung müssen die

Die Temperaturskala ITS-90 wird am Metas mit den hervorgehobenen Fixpunkten von –189 °C bis 660 °C realisiert. Unterschiede zwischen der thermodynamischen Temperatur und der ITS-90 ständig verbessert und überprüft werden.

Die Skala ist nach wie vor aktuell

Durch den grossen praktischen Vorteil und die sehr hohe Reproduzierbarkeit ist die ITS-90 als Skala nach wie vor von hoher Aktualität und wird weltweit hauptsächlich von nationalen Metrologieinstituten realisiert. Die thermometrische Basis der Schweiz besteht aus einer Reihe von Fixpunktzellen, die den Bereich von –189,3342 °C bis 660,323 °C redundant abdecken. Diese Zellen werden gemeinsam mit Normal-Platin-Widerstandsthermometer, als Interpolationsinstrument, zur Abbildung der ITS-90 verwendet. Das Thermometrie-Labor des Metas ist als ein Teil des Labors Gleichstrom und Niederfrequenz bzw. des Bereichs Elektrizität organisiert. Die allgemein sehr häufig genutzte Verbindung von temperaturabhängigen elektrischen Effekten zur Messung der Temperatur und konkret die Widerstandsthermometrie als ein definiertes Interpolationsinstrument der ITS-90, erfordert eine hochstehende Infrastruktur der elektrischen Metrologie. Diese wird vom Metas seit vielen Dekaden erfolgreich betrieben und weiterentwickelt. Durch die enge Verzahnung der beiden Fachbereiche hat die Thermometrie direkten und schnellen Zugang zur elektrischen Messtechnik, wovon Realisierung und Kalibrierungen mit tiefen Messunsicherheiten profitieren. Darüber hinaus könnte diese aussergewöhnliche Synergie mit der Entwicklung der Rauschthermometrie, basierend auf dem elektrischen Widerstandsrauschen zur Bestimmung der thermodynamischen Temperatur, dereinst zu einem «elektronischen Kelvin» führen und die ITS-90 ablösen.

Kontakt Remo Senn Metas Lindenweg 50 CH-3003 Bern-Wabern +41 58 387 03 30 dclf@metas.ch www.metas.ch

Reaktionen nachvollziehen

Fluoreszenzmikroskopie mit höchster Auflösung

Erst vor wenigen Jahren wurde eine fundamental erscheinende Auflösungsgrenze der optischen Mikroskopie gesprengt, was 2014 zur Verleihung des Nobelpreises für Chemie führte. Seither hat es auf dem Gebiet der superauflösenden Mikroskopie einen weiteren Quantensprung gegeben, der die Auflösungsgrenze bis zur molekularen Dimension (1 nm) getrieben hat. Ein internationales Forschungsteam hat die Fluoreszenzmikroskopie nochmals verbessert: Nun können bimolekulare Reaktionen mit ihr analysiert werden.

Wissenschaftlern um Professor Philip Tinnefeld der Universität München und Professor Fernando Stefani (Buenos Aires) ist es nun gelungen, das für die 1-nm-Auflösung notwendige sogenannte Minflux-Mikroskop (siehe Kasten) zu vereinfachen. So konnten die Wissenschaftler äusserst nah beieinanderliegende Moleküle unterscheiden und sogar die Dynamik ihrer Bewe-

Das Fluoreszenzmikroskop: Minflux Es ist der «Heilige Gral» der Lichtmikroskopie: die Trennschärfe dieser Methode so weit zu verbessern, dass man dicht benachbarte Moleküle einzeln auflösen kann. Wissenschaftler um Nobelpreisträger Stefan Hell vom Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie haben 2016 geschafft, was lange Zeit als unmöglich galt: Sie haben ein neues Fluoreszenzmikroskop entwickelt, Minflux genannt, mit dem sich erstmals Moleküle trennen lassen, die nur Nanometer voneinander entfernt sind. Dieses Mikroskop ist mehr als 100-mal schärfer als herkömmliche Lichtmikroskopie und übertrifft selbst die bisher besten lichtmikroskopischen Methoden – das von Hell zuerst entwickelte «Sted» und das von Nobelpreiskollege Eric Betzig erfundene «Palm/ Storm» – um das Zwanzigfache. Für Minflux nutzte Hell die Stärken von Sted und Palm/Storm in einem völlig neuen Konzept. Dieser Durchbruch eröffnet Wissenschaftlern grundlegend neue Möglichkeiten zu erforschen, wie das Leben auf molekularer Ebene abläuft.

Quelle: Max-Planck-Gesellschaft gungen unabhängig voneinander verfolgen. Zusätzliche Funktionen ermöglichen es ihnen zudem, die Art der beobachteten Moleküle zu charakterisieren. Die MinfluxMethode fragt den Ort jedes Moleküls ab, indem ein Laserfokus in der Nähe des Moleküls platziert wird. Die gemessene Fluoreszenzintensität dient dabei als Mass für den Abstand des Moleküls zum Mittelpunkt des Laserfokus. Die genaue Molekülposition lässt sich durch die optische Messmethode der Triangulation erhalten, indem das Zentrum des Laserfokus nacheinander an verschiedenen Seiten relativ zum Molekül platziert wird.

DNA-Origami

In ihrer Studie, die sie in der Fachzeitschrift «Nano Letters» in diesem Jahr veröffentlichten, verwendeten die Physikochemiker gefaltete DNA-Moleküle, sogenannte DNAOrigami. Diese programmierbaren Moleküle eignen sich gut, um die Auflösung von Mikroskopen zu testen, da sie sich in Nanometerbereich systematisch falten lassen. Diese Nanomodelle dienen dabei als Träger von fluoreszierenden Farbstoffen. Ihre Modelle beruhten auf DNA-OrigamiSystemen, die einerseits statisch und andererseits dynamisch waren.

Fluoreszenz bestimmt Grenzen

Die Wissenschaftler ordneten die Laserpulse so geschickt in Ort und Zeit an, dass sie mit maximal möglicher Geschwindigkeit zwischen den Laserpositionen hin- und herschalten konnten. Zusätzlich erreichten sie mithilfe einer schnellen Elektronik eine zeitliche Auflösung, die im

Die Mikroskopie liefert längst mehr als nur ein scharfes Bild.

Bereich von Pikosekunden liegt und den elektronischen Übergängen in den Molekülen entspricht. Damit werden die Grenzen des Mikroskops ausschliesslich von den Fluoreszenzeigenschaften der Farbstoffe bestimmt, die die DNA-Origami auf sich tragen.

Energietransfer begreifen

Mithilfe dieser neuen sogenannten pulsedMinflux gelang es den Wissenschaftlern, die örtliche Verteilung der Fluoreszenzlebensdauer – die wichtigste Messgrösse, um die Umgebung von Farbstoffen zu charakterisieren – mit einer Auflösung von 1 nm zu messen. Tinnefeld erklärt: «Mit pulsed-Minflux wird es möglich sein, Strukturen und Dynamik auf molekularer Ebene aufzudecken, die fundamental sind für unser Verständnis von Energietransferprozessen bis hin zu biomolekularen Reaktionen.»

Originalpublikation Luciano A. Masullo et al., «Pulsed Interleaved MINFLUX», Nano Lett. (2021); https:// doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04600

Medienmitteilung Ludwig-Maximilians-Universität München www.lmu.de

Wiederverwendung denkbar oder utopisch?

Schutzkleidung gegen Tröpfcheninfektionen

Ob und wie Schutzkleidung gegen Tröpfcheninfektion wiederverwendet werden können, ist derzeit Teil der öffentlichen Diskussion. Doch die medizinische Fachwelt reagiert zögerlich – aus gutem Grund, denn herkömmliche Einwegkleidung bietet verlässlichen Schutz, der für Mehrwegtextilien erst sichergestellt und nachgewiesen werden muss. Einen wichtigen Schritt geht eine neue Studie zur Benetzbarkeit beschichteter Reinraumkleidung.

Die im Rahmen einer Forschungskooperation untersuchten Materialien zeigten sehr gute flüssigkeitsabweisende Eigenschaften, wie sie zur Abschirmung infektiöser Tröpfchen erforderlich sind. Die im Mittelpunkt der Studie stehende Kontaktwinkelmethode erwies sich als valide und kann potenziell als einfach zugängliches Verfahren für Prüfungen medizinischer Schutzkleidung eingesetzt werden. An der Studie beteiligt waren neben dem Hamburger Messgerätehersteller Krüss die Dastex Reinraumzubehör GmbH & Co. KG sowie die OHB System AG.

Tröpfchen-abweisende Schutzkleidung

Die untersuchten Textilien dienen eigentlich für Reinraumkleidung bei der Satellitenfertigung und schützen dort in erster Linie die Umgebung. Für den potenziellen medizinischen Einsatz wurden die Gewebe mit einer hydrophoben PTFE-Beschichtung versehen. Diese Modifikation sollte die Benetzung durch infektiöse Tröpfchen und deren Absorption verhindern, so dass sie abfallen oder an der Oberfläche verdunsten. Der Nachweis solcher hydrophoben Eigenschaften ist eine typische Fragestellung der Kontaktwinkelmesstechnik, in der die Firma Krüss spezialisiert ist.

Praxisnahe Benetzungsuntersuchungen

Zunächst konnte dem Gewebe anhand grösserer Wassertropfen exzellentes flüssigkeitsabweisendes Verhalten bescheinigt werden. Um darüber hinaus den Schutz beim Kontakt mit hustenden oder niesenden Patientinnen und Patienten zu unter-

Bild: Krüss

Auf den beschichteten Reinraumtextilien bilden sich runde Tropfen mit entsprechend grossen Kontaktwinkeln aus.

suchen, wurden winzige Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit auf die Materialien appliziert. Mikroskopiegestützte Kontaktwinkelmessungen belegten auch für diese Situation eine gute Schutzwirkung, die sogar anhand einzelner Fasern nachgewiesen werden konnte. Und auch um die Wiederverwendung steht es günstig, denn selbst nach 120 Waschzyklen war keine Beeinträchtigung der wasserabweisenden Materialeigenschaften festzustellen.

Kontaktwinkelmessung als valide Prüfmethode

Bisher konnte die Schutzwirkung medizinischer Kleidung nur in spezialisierten Laboratorien festgestellt werden. Im Kontrast dazu werden beschichtete Textilien für andere Verwendungszwecke häufig mit improvisierten, wissenschaftlich kaum zureichenden Methoden geprüft. Kontaktwinkelmessungen sind hingegen nicht nur valide für die Charakterisierung hydrophober Textilien, sondern auch schnell, einfach und mobil durchführbar. Parallel haben Forschende des Helmholtz Zentrums Geesthacht am Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) zusammen mit Der Kontaktwinkel Je höher der Kontaktwinkel, desto geringer ist die Benetzung der Oberfläche. Liegt der Kontaktwinkel bei 0°, hat der Stoff die Flüssigkeit sozusagen «aufgesogen». Ab einem Kontaktwinkel von über 90° wird die Oberfläche nicht mehr benetzt. Perlt die Flüssigkeit stets komplett ab, liegt der Wert theoretisch bei 180°.

Teams von der Quality Analysis (Nürtingen) und Volume Graphics (Heidelberg) die runden Formen der nicht benetzenden Tropfen in hochauflösenden computertomographischen Untersuchungen visualisiert. Bis medizinische Einrichtungen auf wiederverwendbare Schutzkleidung umschwenken können, ist noch ein weiter Weg zu beschreiten. Der lohnt sich aber sicherlich, nicht nur aus ökologischen Gründen und bei Lieferengpässen. Auch die Ärzteschaft und das Pflegepersonal würden von der Umstellung auf bequemere und noch dazu atmungsaktivere Schutzkleidung profitieren. Die Ergebnisse der Studie stellte Dr. Thomas Willers von Krüss am 18. Februar 2021 online auf dem World Congress on Textile Coating vor. Eine medizinische Fachveröffentlichung ist zunächst im norwegischen Magazin «Dagens Medisin» vorgesehen.

Kontakt Krüss GmbH Wissenschaftliche Laborgeräte Borsteler Chaussee 85 D-22453 Hamburg +49 40 514401 290 info@kruss.de www.kruss-scientific.com