Archiv des Monats: Juni 2010

Prognoseverbesserung im Lebensmitteleinzelhandel durch Wettervorhersage

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Pressemitteilung der Universität Passau vom 17.06.2010

Lassen sich Wettervorhersagedaten nutzen, um Absatzprognosen für Lebensmittel zu verbessern? Mit welchen Methoden kann man das erreichen, vor allem dann, wenn es sich um viele tausend Lebensmittelmärkte mit jeweils mehreren tausend Artikeln handelt und täglich eine Prognose erstellt werden muss?

Solche und ähnliche Fragen waren Thema eines Forschungsprojekts, das von Prof. Dr. Thomas Müller-Gronbach (Lehrstuhl für Mathematische Stochastik der Universität Passau) gemeinsam mit Prof. Dr. Klaus Ritter von der TU Darmstadt und der REWE-Informations-Systeme GmbH (RIS) durchgeführt wurde. Die REWE Group ist einer der führenden europäischen Handels- und Touristikkonzerne mit einem Umsatz von 50 Mrd. Euro, über 14.000 Lebensmittelmärkten und 320.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern weltweit. Die RIS ist zentraler IT-Lösungsanbieter der REWE Group und unter anderem verantwortlich für die Entwicklung der automatischen Waren-Disposition der Lebensmittelmärkte.

Mit dem Projekt wurde eine bereits langjährige Kooperation mit REWE zum Thema Kaufverhalten und Prognose fortgesetzt. Die unternehmerischen Ziele liegen auf der Hand: mit verbesserter Prognosegenauigkeit lassen sich zum einen wetterbedingte Nachfragespitzen besser bedienen und zum anderen wetterbedingte Warenüberhänge und Verderb reduzieren. Die wissenschaftliche Herausforderung besteht unter anderem in der Konstruktion von Verfahren, die in der Lage sind, für riesige Artikelmengen signifikante Prognoseverbesserungen in der geforderten Schnelligkeit zu erzielen.

In die aktuelle Analyse flossen etwa 100.000 Wetterdaten aus 43 Messstationen des Deutschen Wetterdienstes und 22 Millionen Abverkaufsdatensätze ein. Entwickelt und zum Einsatz kamen Verfahren aus der Statistik und der stochastischen Simulation, die Arbeitsschwerpunkte des Lehrstuhls bilden. Über die Ergebnisse hat Dr. Robert Offinger, ein Mitarbeiter am Lehrstuhl, bereits auf großen anwendungsorientierten Statistikkonferenzen berichtet.

Die entwickelten Methoden zur Erfassung von Wetterabhängigkeit und zur Prognoseverbesserung kommen bei REWE jetzt in die Erprobungsphase.

Externer Link: www.uni-passau.de

In Folie gebettet mit hohen Pulsenergien

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.06.2010

KIT-Forscher entwickeln ultraflachen Flüssigkeits-Farbstofflaser mit deutlich erhöhter Ausgangsleistung

Wissenschaftlern des KIT und der Technical University of Denmark ist es in einem gemeinsamen Projekt erstmals gelungen, in eine nur 1/3 Millimeter dicke Folie eingebettete Flüssigkeits-Farbstofflaser zu realisieren und gleichzeitig die Ausgangsleistung derartiger Laser deutlich zu erhöhen.

Unter Optofluidik versteht man flüssigkeitsbasierte optische und photonische Elemente oder Bauteile. Optofluidische Laser sind miniaturisierte Flüssigkeits-Farbstofflaser, die sichtbares Licht emittieren. Sie können als Lichtquelle für die integrierte Optik oder für integrierte photonische Sensorsysteme dienen. Durch die Zusammenarbeit der KIT-Nachwuchsgruppe von Dr.-Ing. Timo Mappes mit der Forschergruppe von Prof. Anders Kristensen der Technical University of Denmark konnte der KIT-Doktorand Christoph Vannahme nun erstmalig einen Laser realisieren, der in einer nur 1/3 Millimeter dicken Folie eingebettet ist und eine deutlich erhöhte Ausgangsleistung gegenüber herkömmlichen Lasern aufweist.

In einem leicht auf industrielle Fabrikation übertragbaren Prozess wird zur Herstellung der Laser zunächst eine Folie mit einer Kombination aus Nano- und Mikrostrukturen versehen. Diese geschieht durch Prägen mit einem Stempel bei erhöhter Temperatur. „Durch das Deckeln dieser Struktur mit einer weiteren Folie entsteht so ein Mikrokanal mit nur 1,6 Mikrometer Höhe, das entspricht dem 40sten Teil eines Haardurchmessers“, erläutert Christoph Vannahme, Doktorand am Institut für Mikrostrukturtechnik und am Lichttechnischen Institut des KIT. „Die Breite des Mikrokanals misst 0,5 Millimeter und der Kanalboden ist mit einer Nanostruktur versehen. Leitet man eine Farbstoffflüssigkeit durch diesen Kanal und regt den Farbstoff zum Leuchten an, so entsteht aufgrund der Strukturierung Laserlicht“, beschreibt Vannahme den Prozess.

Die Periode der Nanostruktur bestimmt die Farbe – die Wellenlänge – des Laserlichts. Mit zwei verschiedenen Perioden können mit derselben Flüssigkeit unterschiedliche Laserwellenlängen erzeugt werden. Das Kanaldesign ermöglicht hohe Pulsenergien von mehr als 1 Mikrojoule und schmale Bandbreiten des Laserlichts. Da die Flüssigkeit durch den Mikrokanal gepumpt wird, werden die Farbstoffmoleküle ständig ausgetauscht und dadurch sehr lange Betriebsdauern erreicht.

Im Rahmen eines durch das Karlsruhe House of Young Scientists (KHYS) geförderten Auslandsaufenthaltes arbeitete Christoph Vannahme für sechs Monate an der Technical University of Denmark und entwickelte dort den neuen Laser. Der Laser kann in mikrooptische Analysesysteme integriert werden, die Vannahme im Rahmen seiner Doktorarbeit entwickelt. Nun wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Optics Express veröffentlicht.

Das KHYS ist die Kommunikations- und Interaktionsplattform für alle Doktoranden und jungen Postdoktoranden des KIT. Als zentrale Beratungs- und Servicestelle begleitet das KHYS alle Doktoranden vom Beginn ihrer Doktorarbeit bis zu ihrem erfolgreichen Abschluss und unterstützt sie bei ihrer weiteren Karriereplanung. Mit dem KHYS-Auslandsstipendium werden Reise- und Lebenshaltungskosten für einen drei- bis sechsmonatigen Forschungsaufenthalt bezuschusst. Der Auslandsaufenthalt stellt eine Erweiterung der Forschungsarbeit dar und bietet Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit, ihre wissenschaftlichen und interkulturellen Kompetenzen zu erweitern und andere Wissenschaftssysteme kennen zu lernen.

Christoph Vannahme schloss sein Physikstudium an der Universität Paderborn mit Auszeichnung ab; bereits bei seiner Bewerbung am KIT war für ihn die aktive Unterstützung der Auslandsaufenthalte durch das KHYS mit ausschlaggebend für die Annahme der Doktorandenstelle. (sf)

Bibliographische Daten:
„Optofluidic dye laser in a foil“, Christoph Vannahme, Mads Brøkner Christiansen, Timo Mappes, Anders Kristensen, (2010), Optics Express 18 (9): 9280-9285, DOI: 10.1364/OE.18.009280.

Externer Link: www.kit.edu

„Nanopartikel, öffne Dich!“

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Presseinformation der LMU München vom 11.06.2010

Programmierbares DNA-Ventil setzt gezielt Wirkstoffe frei

Medikamente müssen oftmals hoch dosiert verabreicht werden, weil auf dem Weg durch den Körper Wirkstoff verloren geht. Dies kann aber verstärkt zu unerwünschten Nebenwirkungen führen. Damit die Dosis eines Medikaments künftig so niedrig wie therapeutisch möglich gehalten werden kann, sollen die Wirkstoffe in Zukunft direkt zum Zielort im Organismus transportiert und dort erst freigesetzt werden. Dafür sollen sie in Nanopartikel eingeschlossen werden, die ihre Fracht nur bei einem bestimmten pH-Wert, einer definierten Temperatur oder unter anderen spezifischen Bedingungen freigeben. „Die Kunst besteht darin, Partikel zu entwickeln, die sich ganz exakt auf nur eines dieser Signale hin öffnen und den Wirkstoff freisetzen – sich also entsprechend programmieren lassen“, sagt der LMU-Chemiker Professor Thomas Bein, der auch dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) angehört. Ihm und seinen Mitarbeitern ist in Zusammenarbeit mit der Gruppe des LMU-Chemikers Thomas Carell nun gelungen, in wenigen Schritten Silikat-Partikel herzustellen, die sich je nach Bedarf bei einer bestimmten Temperatur öffnen.  „Als Ventil fungieren dabei DNA-Moleküle, deren Temperatursensitivität über die Zahl ihrer Bausteine präzise reguliert werden kann“, sagt Bein. „Das Konzept der programmierten Freisetzung lässt sich bei Medikamenten einsetzen, aber auch prinzipiell bei Waschmitteln und in der Industrie.“ (Angewandte Chemie online, 11. Juni 2010).

Selbst feinste Sandkörner sind tausendmal größer als die porösen Silikatpartikel, die Wissenschaftler als Transportvehikel für medizinische und andere Wirkstoffe nutzen. Über zahlreiche Poren nehmen diese Teilchen, deren Durchmesser nur etwa 50 Nanometer beträgt, Wirkstoffe durch Diffusion relativ leicht auf. Diese Poren zu verschließen und für eine gezielte Freisetzung zu programmieren, erfordert aber einen hohen Forschungsaufwand. Das Team um Bein nutzte kurze doppelsträngige DNA-Stücke als Ventil. Denn die beiden Stränge des Moleküls trennen sich bei erhöhter Temperatur und lösen sich voneinander – ähnlich wie bei einem Reißverschluss. Besonders wichtig für die Chemiker war, dass diese Funktion präzise programmierbar ist: Je länger ein doppelsträngiges DNA-Stück ist, desto höher muss die Temperatur sein, um die beiden Stränge aufschmelzen zu lassen.

Im Versuch hafteten kurze doppelsträngige DNA-Moleküle auf der Oberfläche des Partikels. Dabei band aber nur einer der beiden Stränge – über ein kürzlich an der LMU entwickeltes Azid-Alkin-Bindeprinzip – an das Silikat(1). Der andere Strang dagegen trug am Ende nahe der Partikeloberfläche ein Biotin-Molekül. Nach Befüllen des Partikels bindet hieran ein Avidinprotein, das sich als Verschluss auf eine Pore des Silikat-Partikels legt. Erst wenn die DNA aufschmilzt, wird das Avidin von der Porenöffnung weggeschoben und die Freisetzung der Wirkstoffe ermöglicht. Versuchsreihen zeigten, dass DNA-Doppelstränge mit 15 Basenpaaren bei 45°C komplett aufschmelzen, während sich ein Molekül aus 25 dieser Bausteine erst bei 65°C öffnet. „Damit können wir den Deckel quasi auf Knopfdruck öffnen“, sagt Bein. „Wir erwarten, dass die molekular programmierte Freisetzung von Wirkstoffen auf vielen Gebieten wie beispielsweise der gezielten Freisetzung von Medikamenten oder auch in Waschmitteln und in industriellen Prozessen Bedeutung erlangen wird.“ (bige/suwe)

Publikation:
„Ein programmierbares, DNS-basiertes molekulares Ventil für kolloidales, mesoporöses Silica“,
Axel Schlossbauer, Simon Warncke, Philipp E. Gramlich, Johann Kecht, Antonio Manetto, Thomas Carell und Thomas Bein
Angewandte Chemie online, 11. Juni 2010
(1) A. Schlossbauer, D. Schaffert, J. Kecht, E. Wagner, T. Bein, Click chemistry for high-density biofunctionalization of mesoporous silica, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12558.

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Leuchtender Plagiatschutz

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juni 2010

Produktfälschungen verursachen jährlich Verluste in Milliardenhöhe. Zum wirtschaftlichen Schaden kommen oft noch Risiken durch die schlechte Material- und Verarbeitungsqualität der Plagiate hinzu. Mit Hilfe von fluoreszierenden Farbstoffen lassen sich Materialien individuell markieren und eindeutig identifizieren.

Von Produktpiraterie sind längst nicht nur Konsumgüter wie Uhren oder Markenkleidung betroffen. Auch die produzierende Industrie hat mit gefälschten oder qualitativ minderwertigen Materialien zu kämpfen. Spezielle Sicherheitsmerkmale wie Wasserzeichen, Barcodes, RFID-Tags und Hologrammen kennzeichnendie Produkte und schützen sie so vor Fälschung, Diebstahl und Manipulation. Dabei gilt: Je komplizierter eine Markierung zu imitieren ist, desto sicherer ist das System. Ein Forscherteam aus vier Fraunhofer-Instituten hat nun ein neuartiges Verfahren entwickelt, das besonders fälschungssicher ist: »Wir setzen dem gesamten Material verschiedene fluoreszierende Farbstoffe zu«, erklärt Dr. Andreas Holländer vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP. »Anhand der Fluoreszenz können wir spezifische Eigenschaften exakt bestimmen und dadurch erkennen, ob es sich um das Original handelt und die Qualitätsanforderungen erfüllt sind«.

Fluoreszenz kommt bei einigen organischen Farbstoffen vor: Werden diese in einem bestimmten Wellenlängenbereich bestrahlt, emittieren sie selbst Licht mit einer größeren Wellenlänge. Die Art der Leuchtkraft – also Wellenlänge und Lichtintensität – hängt dabei von den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials ab, dem der Farbstoff zugesetzt wurde. Verschiedene Farbstoffe reagieren auf unterschiedliche Eigenschaften, etwa den pH-Wert oder die Viskosität. So leuchtet ein bestimmter Farbstoff beispielsweise in einem hoch vernetzten Harz stärker als in einem weniger vernetzten.

Um ein Produkt fälschungssicher zu machen, setzen die Forscher dem Material daher mehrere Farbstoffe zu. »Auf diese Weise entsteht eine individuelle Kennzeichnung, die extrem schwer zu imitieren ist«, sagt Holländer. Dank der geringen Dosierung ist es praktisch unmöglich, Art und Menge der Farbstoffzusätze zu entschlüsseln: Bereits Farbstoffkonzentrationen von wenigen ppb (parts per billion) genügen, um das Material zu markieren. Ein weiterer Vorteil: Der Plagiatschutz kann definitiv nicht entfernt werden. »Bei herkömmlichen Sicherheitsmerkmalen ließe sich die Stelle mit der Markierung theoretisch aus dem Material beseitigen. Das funktioniert bei unserer Technik nicht, da der Farbstoff im gesamten Material verteilt ist und dieses selbst ein Bestandteil der Kennzeichnung ist«, sagt Holländer. Neben dem Plagiatschutz eignet sich das Verfahren auch für eine effektive Qualitätssicherung, etwa bei Beschichtungen: Mit Hilfe verschiedener Farbstoffe lassen sich während des Produktionsprozesses sowohl die chemische Zusammensetzung, der Trocknungsgrad als auch die Dicke der Schicht kontrollieren.

Erste Praxistests hat die neue Technik bereits bestanden: Unter anderem haben die Forscher Barrierefolien für organische Leuchtdioden (OLEDs) und Photovoltaik, eine Entwicklung der Fraunhofer-Allianz Polymere Oberflächen POLO, mit Farbstoffen markiert. Das Verfahren ist also grundsätzlich einsatzbereit, muss jedoch für jedes Material angepasst werden. Eine Standardlösung wäre auch nicht im Sinne des Erfinders: »Ein Grund für die hohe Sicherheit unserer Technologie ist ja gerade, dass es nur materialspezifische Lösungen gibt«, betont Holländer.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Quantenturbo für verlustfreien Strom

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 07.06.2010

Quanteneffekte verstärken die Supraleitung von Zinn-Nanopartikeln drastisch

Wann ein Metallteilchen den elektrischen Widerstand verliert, ist auch eine Frage seiner Größe. Die Temperatur, unterhalb derer ein Material zu einem Supraleiter wird, kann nämlich drastisch steigen – wenn der Stoff als Nanokügelchen mit bestimmtem Durchmesser vorliegt. Das haben Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung mit Kollegen aus Regensburg und Lissabon nachgewiesen, indem sie Zinn-Nanopartikel mit einem Rastertunnelmikroskop untersuchten. Demnach verstärken Quanteneffekte in den winzigen Teilchen die Supraleitung um bis zu 60 Prozent, aber nur bei „magischen“ Größen, die eine Theorie auf den Nanometer genau vorhersagt. Diese Ergebnisse liefern neue Ansatzpunkte, um der verlustfreien Stromleitung auch bei Raumtemperatur näherzukommen. (Nature Materials, Juni 2010)

Mit Materialien, die Strom auch bei sommerlichen Temperaturen noch ohne Widerstand transportieren, ließe sich eine Menge Energie sparen. Supraleiter können das – im Prinzip. Doch die derzeit besten Supraleiter geben ihren Widerstand erst unterhalb von rund minus 170 Grad Celsius auf. Obwohl die Supraleitung bei Raumtemperatur noch immer in weiter Ferne liegt, sind ihr die Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung ein kleines Stück näher gekommen: Sie haben die kritische Temperatur, unterhalb derer ein Material zum Supraleiter wird, im Labor dramatisch angehoben, indem sie Nanopartikel bestimmter Größe erzeugten.

Die kritische Temperatur steigt – die Physiker sprechen von einer Verstärkung der Supraleitung -, weil die Energiezustände in Nanoteilchen quantisiert sind. In einem größeren Stück des Materials bilden sie dagegen ein breites Band, das sich über das gesamte Material ausdehnt. Für viele Atome ergeben sich nämlich sehr viele dicht beieinander liegende Zustände. Die wenigen Atome in einem Nanoteilchen können dagegen nur eine kleine Zahl von Zuständen besetzen. Die Beschränkung der Quantenzustände ändert die Eigenschaften nanoskopischer Systeme abrupt und oft unvorhergesehen. „In niederdimensionalen Supraleitern ist eine der überraschendsten Konsequenzen, dass Schaleneffekte auftreten, die die Supraleitung verstärken“, sagt Klaus Kern, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut.

Theoretisch haben Physiker diese Schaleneffekte bereits seit längerem vorhergesagt. Demnach bilden metallische Nanopartikel elektronische Schalen – ähnlich den Schalen, auf denen sich die Elektronen in einzelnen Atomen anordnen. Auch die Elektronen in den Nanopartikeln besetzen nun diese Schalen. Bei bestimmten Anzahlen schließen sich die Elektronen in den Schalen leichter zu Cooper-Paaren zusammen, die sich ohne Widerstand durch das Material bewegen können. Wann sich in den Schalen die „magischen“ Anzahl von Elektronen versammeln, hängt auch von der Größe und Form der Partikel ab.

„Die Experimente, um die vorhergesagten Quanteneffekte zu bestätigen, sind extrem anspruchsvoll und erreichen die Grenze des technisch Möglichen“, sagt Sangita Bose, die zusammen mit Ivan Brihuega zum ersten Mal untersucht hat, wie die Größe den supraleitenden Zustand individueller Nanopartikel beeinflusst.

Die Forscher haben in einem extrem guten Vakuum zunächst exakte Halbkugeln aus Zinn und Blei gezüchtet, deren Höhen sie gezielt zwischen einem und 50 Nanometern einstellten. Mit einem speziellen Rastertunnelmikroskop, das Forscher des Max-Planck-Instituts entwickelt haben, untersuchten die Physiker anschließend die elektronischen Eigenschaften der Nanoteilchen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von rund minus 273 Grad Celsius. Mit sehr hoher Auflösung bestimmten sie für jedes individuelle Teilchen die supraleitende Energielücke. Aus den Energielücken ergeben sich dann die kritischen Temperaturen, bei denen sie Supraleitung auftritt.

Die Experimente zeigten, dass die supraleitende Energielücke der Zinn-Nanopartikel sehr empfindlich auf die Partikelgröße reagiert. Sie nimmt allerdings weder kontinuierlich ab noch steigt sie stetig an, sondern springt vielmehr stark hin und her. „Das sieht zunächst aus wie Rauschen, entspricht aber den Vorhersagen der Theorie“, sagt Klaus Kern. Die Größe braucht sich nur um Bruchteile eines Nanometers zu ändern, und schon springt die kritische Temperatur in die Höhe, bevor sie im nächst kleineren Partikel schon wieder drastisch abfällt. Für Blei-Nanopartikel fällt der Effekt weit schwächer aus. In beiden Materialien tritt allerdings überhaupt keine Supraleitung mehr auf, wenn die Partikel kleiner als vier Nanometer sind. „Das wurde zwar bereits vor 50 Jahren theoretisch vorhergesagt, wir haben das aber jetzt zum ersten Mal an einzelnen Partikeln nachgewiesen“, sagt Ivan Brihuega.

Um die experimentellen Ergebnisse theoretisch zu unterfüttern, haben Antonio M. García-García, Wissenschaftler am Instituto Superior Technico in Lissabon, und Juan D. Urbina von Universität Regensburg, Korrekturen für die endliche Ausdehnung und Form der Partikel in die Standard-BCS-Theorie für Supraleiter eingeführt. Ihre Berechnungen geben die experimentellen Ergebnisse sehr gut wieder. Sie spiegeln auch wider, dass die Supraleitung mit der Größe der Zinn-Nanopartikel stark variiert. Im Blei tritt der Effekt allerdings kaum auf. „Das unterschiedliche Verhalten der beiden Metalle lässt sich mit der unterschiedlichen Kohärenzlänge erklären, die die räumliche Ausdehnung der Elektronenpaare für die Supraleitung beschreibt“, sagt Sangita Bose. Die Kohärenzlänge im Zinn ist viel größer als im Blei, was Zinn weitaus empfindlicher gegenüber Quanteneffekten macht.

Da die quantenmechanischen Schaleneffekte in allen Materialien auftreten, lassen sie sich nutzen, um die Supraleitung in vielen Materialien zu verstärken. „Damit eröffnet das ‚Quanten-Engineering‘ durch die gezielte Nanostrukturierung eine völlig neue Perspektive für die Supraleitung und bietet auch vielversprechende technologische Aussichten“, so Klaus Kern. [Fkf]

Originalveröffentlichung:
Sangita Bose, Antonio M. García- García, Miguel M. Ugeda, Juan D. Urbina, Christian H. Michaelis, Ivan Brihuega and Klaus Kern
Observation of shell effects in superconducting nanoparticles of Sn
Nature Materials, Juni 2010; DOI: 10.1038/NMAt2768

Externer Link: www.mpg.de