Archiv des Monats: November 2010

Geteiltes Elektron blitzt im Streifflug auf

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 11.11.2010

Ultrakurze Laserpulse lassen sich vielleicht auf vielfältigere Weise erzeugen als gedacht

Physikern könnte sich künftig ein neuer Blick in Atome und Moleküle bieten. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik haben nämlich einen neuen Weg vorgeschlagen, mit ultrakurzen Laserpulsen Information über Materie zu gewinnen. Sie haben berechnet, dass gerade der Mechanismus, durch den die Lichtpulse entstehen, auch in die Tiefe von Atomen und Molekülen blicken lässt. (Physical Review Letters, 11. November 2010)

Ein verknackster Fuß oder ein unbequem sitzender Weisheitszahn, geröntgt wurde wohl jeder schon einmal. Beim Röntgen durchleuchtet sehr energiereiche Strahlung das Knochengewebe und offenbart dessen Struktur. Doch auch Wissenschaftler sind auf verschiedene Arten von Strahlung angewiesen, wenn sie Materialien oder Prozesse in Molekülen analysieren. Dabei schneiden sie die Eigenschaften ihrer Lichtquellen auf das jeweilige Experiment zu und versuchen ständig, diese zu optimieren.

Viele dieser Verfahren beruhen auf demselben einfachen Prinzip: Materie wird von einer passenden Lichtquelle bestrahlt oder durchleuchtet. Das reflektierte oder gestreute Licht liefert dann ein Abbild der Materiestruktur. Diese Methode stößt jedoch bei sehr kleinen, komplexen Objekten mit sich zeitlich sehr rasch ändernden Strukturen an ihre Grenzen. Ultrakurze Prozesse, die in der Tiefenstruktur einzelner Moleküle oder gar Atome ablaufen, lassen sich damit nicht mehr auflösen.

Vielleicht könnte dem bald Abhilfe geschaffen werden. Zumindest den Berechnungen zufolge, die Forscher um Thomas Pfeifer am Max-Planck-Institut für Kernphysik angestellt haben. Demnach können zwei freie Teilwellen ein und desselben Elektrons ultrakurze Laserblitze erzeugen, wenn sie Atome oder Moleküle nur streifen. Dabei spüren sie zwar das Potenzial der Teilchen, werden aber nicht von ihm eingefangen. Bisher waren die Forscher davon ausgegangen, dass das Elektron mit dem Atomrumpf rekombinieren muss, um diese Art der Strahlung freizusetzen. Außerdem muss das Atom oder Molekül, dessen Potenzial die freien Elektronenwellen durchlaufen, nicht einmal ionisiert sein, um diesen Effekt hervorzurufen.

„Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten zur Strukturanalyse von hochkomplexen Molekülen“, sagt Pfeifer. „Denn die emittierten ultrakurzen Laserblitze enthalten Informationen über den räumlichen Potenzialverlauf auch im tiefen Innern eines Atoms oder Moleküls.“ Die so erzeugte Strahlung könnten Forscher somit selbst schon als Sonde für die Potenzialstruktur verwenden, und dies, ohne in sie einzugreifen und diese womöglich zu verändern.

Ultrakurze Laserpulse erzeugen Physiker schon länger anhand einzelner Elektronen. Dabei machen sie sich die quantenmechanische Wellennatur dieser geladenen Teilchen zu Nutze. Sie erlaubt es ihnen, ein Elektron mit einem extrem starken Laserfeld teilweise von einem Atomrumpf zu lösen, während der restliche Teil desselben Elektrons am Atom verbleibt. Trifft der freie Anteil des Elektrons wieder auf sein Ion, interferiert dieser mit dem gebundenen Eleltronanteil und sendet einen ultrakurzen, kohärenten Lichtblitz aus. Dabei rekombiniert das Elektron wieder vollständig mit dem Ion.

Die so erzeugten Laserpulse von nur Femto- oder Attosekunden Länge (10-15 beziehungsweise 10-18 Sekunden) verwenden die Wissenschaftler, um zum Beispiel chemische Prozesse in Molekülen zu studieren. Allerdings erlaubt diese Methode bislang nur den Blick auf die äußersten elektronischen Schichten eines Moleküls. Der Einblick in tiefere Schichten bleibt noch verwehrt.

Die Berechnungen, die maßgeblich von Markus Kohler im Rahmen seiner Doktorarbeit am Max-Planck-Insitut für Kernphysik durchgeführt wurden, stellen nicht nur eine neue experimentelle Methode in Aussicht, die Aufschluss über die Tiefenstruktur von Molekülen geben könnte. Sie verallgemeinern auch das theoretische Verständnis, wie sich ultrakurze Laserpulse von zwei Wellenpaketen eines einzelnen Elektrons erzeugen lassen. [FM]

Originalveröffentlichung:
Markus C. Kohler, Christian Ott, Philipp Raith, Robert Heck, Iris Schlegel, Christoph H. Keitel, and Thomas Pfeifer
High Harmonic Generation Via Continuum Wave-Packet Interference
Physical Review Letters DOI:10.1103/PhysRevLett.105.203902

Externer Link: www.mpg.de

Technologierevolution in der Biodiversitätsforschung

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Pressemeldung der Universität Wien vom 15.11.2010

Nach Genom und Proteom folgt nun Entschlüsselung des Metabolom

Mit neuartigen Analyseverfahren, der sogenannten Metabolomics-Technologie, ist es möglich, Einblicke in den Stoffwechsel von Organismen zu erhalten. Die Gruppe um Wolfram Weckwerth, Leiter des Departments für Molekulare Systembiologie der Universität Wien, hat hochkomplexe Verfahren eingesetzt, um grundlegende Fragen zur Biodiversität zu klären. Forschungsobjekt war eine der größten wissenschaftlichen Anbauflächen für Biodiversität in Europa – das Jena-Experiment; untersucht wurden die Vielfalt der dortigen Wiesenvegetation und deren Pflanzeninteraktionen. Die Ergebnisse sind im internationalen Fachmagazin „PLoS ONE“ erschienen.

Mithilfe von Metabolomanalysen werden die Effekte von Biodiversität auf den Stoffwechel von Pflanzenarten gemessen. So wie das Genom die Gesamtheit aller Gene und das Proteom die Gesamtheit aller Proteine bezeichnet, steht das Metabolom eines jeden Organismus für alle Metaboliten, d.h. alle Stoffwechselprodukte einer Zelle – Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren, organische Säuren etc. Der Stoffwechsel eines Organismus, sei es Mensch, Tier oder Pflanze, unterliegt sehr großen Schwankungen in Abhängigkeit von Umwelt, Ernährung, Tag-Nacht-Rhythmus, und Krankheiten. Daher ist die systematische Metabolomanalyse ein direkter Hinweis auf die Aktivität bzw. Produktivität des Stoffwechsels des jeweiligen Organismus. Zur Analyse von ultrakomplexen Metabolomproben verwenden die ForscherInnen um Wolfram Weckwerth chromatographische Trennverfahren, die an Massenspektrometrie gekoppelt sind. Durch dieses hochtechnisierte Verfahren erhalten die WissenschafterInnen Molekülmassen der einzelnen Metabolite, die sie mithilfe eigens angelegter Bibliotheken mit tausenden Referenzsubstanzen vergleichen, identifizieren und quantifizieren.

Metabolomics ermöglicht Bestimmung des Biodiversitätsgradienten im Pflanzenstoffwechsel

Da die Metabolomanalyse einen systematischen Blick auf den Stoffwechsel einer Pflanze erlaubt, war es möglich, einen Biodiversitätsgradienten in den Pflanzen zu messen. In einem genau kartierten Gelände wurden Versuchsflächen mit unterschiedlichen Mischungen verschiedenster Pflanzenarten angelegt: kleine und große Kräuter, Leguminosen, Gräser – teilweise bis zu 60 verschiedene Arten. Die genau festgelegte Zusammensetzung dieser einzelnen Vegetationsflächen spiegelte unterschiedliche Biodiversitätsgrade wider. Dieser Effekt äußerte sich darin, dass einige Pflanzen erhöhte Produktivität, andere wiederum geringere Produktivität in Abhängigkeit ihrer Umgebung zeigten, also eine Plastizität in ihrer Anpassungsfähigkeit. Diese Eigenschaften wiederum sind in den Stoffwechselprofilen der individuellen Pflanzen direkt abzulesen.

Es gibt sehr unterschiedliche Anpassungen von individuellen Pflanzenarten an ihre Umgebung. Löwenzahn und Gänseblümchen (Leontodon autumnalis und Bellis perennis) zeigen beispielsweise Limitierungen im Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt. Andere Pflanzenarten, wie z.B. Acker-Witwenblume oder Nähkisselchen (Knautia arvensis) sind wenig beeinflusst, während kleinere Leguminosen, wie Gewöhnlicher Hornklee (Lotus corniculatus), erhöhte Metabolitlevel – also erhöhte Produktivität – aufweisen. Diese Untersuchungen zeigen erstmals auf, wie die Metabolomics-Technologie in Zukunft zur Aufklärung komplexer ökologischer und ökosystemarer Zusammenhänge in der Feldforschung eingesetzt werden kann.

Die Ergebnisse dieser Studie sind kürzlich in der internationalen Zeitschrift „PloS ONE“ publiziert worden und werden bei „Faculty of 1000“ als „must read“ im Bereich Ökologieforschung empfohlen.

Publikation:
Metabolomics Unravel Contrasting Effects of Biodiversity on the Performance of Individual Plant Species: Christian Scherling, Christiane Roscher, Patrick Giavalisco, Ernst-Detlef Schulze, Wolfram Weckwerth. PloS ONE.

Externer Link: www.univie.ac.at

Saarbrücker Forscher verwandeln verrauschte Bilder blitzschnell in brillante Aufnahmen

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 08.11.2010

Auf Fotos oder Videos kann man wichtige Informationen manchmal nicht klar erkennen. Beispielsweise wird die Freude an alten privaten Erinnerungsfotos durch Kratzer getrübt oder es kann vorkommen, dass man einen Tumor auf dem Ultraschallbild nicht findet, weil es „verrauscht“ ist. Mit komplizierten Rechenverfahren können solche Bilder wieder aufbereitet werden. Saarbrücker Forschern ist es jetzt gelungen, diese mathematischen Verfahren um ein Vielfaches zu beschleunigen. Sie erhielten dafür den Hauptpreis der Deutschen Arbeitsgemeinschaft für Mustererkennung, der vor kurzem auf ihrer Jahrestagung in Darmstadt verliehen wurde.

„Viele der erfolgreichsten Methoden, mit denen ein Computer Bilder entrauscht oder unvollständige Informationen rekonstruiert, verwenden Ideen aus der Natur. Sie werden durch ähnliche mathematische Gleichungen beschrieben wie etwa die Diffusion von Schadstoffen in der Luft oder die Wärmeausbreitung in einem Wohnhaus“ sagt Joachim Weickert, Professor für Mathematik und Informatik der Universität des Saarlandes. Die üblichen Methoden, mit denen ein Computer solche Vorgänge simuliert, waren entweder einfach und langsam, oder sie waren schnell und kompliziert. „Wir haben daher für die Bildaufbereitung eine sehr effiziente und allgemeine Strategie entwickelt, um das Beste aus beiden Welten zu erhalten, nämlich ein Verfahren, das einfach und schnell ist. Wir können jetzt die einfachsten Methoden verwenden und diese nahezu ohne zusätzlichen Aufwand um mehrere Zehnerpotenzen beschleunigen“, erläutert Weickert. Gemeinsam mit dem Doktoranden Sven Grewenig und dem promovierten Wissenschaftler Andrès Bruhn hat er dafür den Best Paper Award auf der Jahrestagung der Deutschen Arbeitsgemeinschaft für Mustererkennung bekommen. Insgesamt wurden 134 Beiträge aus 21 Ländern eingereicht.

„Mit unserer Vorgehensweise können wir auch mit den schnellsten, äußerst komplizierten Verfahren mithalten. Da sich die einzelnen Schritte sehr gut parallel berechnen lassen, profitieren wir zudem von den enormen Möglichkeiten moderner Grafikprozessoren“, erklärt Joachim Weickert. Mit dem Verfahren lassen sich aber nicht nur Informationen aus verrauschten oder unvollständigen Bildern herausfiltern. Sie helfen auch dabei, Bilder und Videos zukünftig noch stärker zu komprimieren, um diese zum Beispiel ohne Qualitätsverlust mobil zu versenden. Die Forscher beschleunigten zudem auch Verfahren, mit denen Computer selbständig Bewegungen in Videos erkennen können, zum Beispiel die Bewegungen eines Menschen. Dies spielt etwa für Fahrerassistenzsysteme in der Automobilindustrie eine wichtige Rolle, die Autofahrer warnen, wenn urplötzlich ein Kind auf die Straße rennt.

Professor Joachim Weickert wurde erst im vergangenen März für seine herausragenden Forschungsleistungen auf dem Gebiet der mathematischen Bildverarbeitung mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis ausgezeichnet. Der Leibniz-Preis ist die höchstdotierte Auszeichnung, die in Deutschland regelmäßig an Wissenschaftler vergeben wird.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Durchbruch in der Datenspeicherung

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 02.11.2010

Neuartige Datenspeicherung ermöglicht eine gegenüber dem aktuellen Stand der Technologie 400fache Steigerung der Datendichte.

Erstmals ist es gelungen, Informationen auf Nanometerskala in magnetischer Form durch ein elektrisches Feld zu schreiben, zu lesen und zu speichern. Das Projekt ist eine Kombination von theoretischen Rechnungen an Großrechnern in Jülich und Garching, durchgeführt von Wissenschaftlern aus dem Max-Planck Institut für Mikrostrukturphysik und der Universität Halle, sowie modernster Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie am KIT. Die Ergebnisse wurden jetzt in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Gegenwärtig dominieren in der Datenspeicherung Festplatten, bei denen Information mithilfe eines Magnetfelds geschrieben und ausgelesen werden. Die Informationseinheit auf der Festplatte, ein Bit, soll immer kleinere Abmessungen einnehmen, um die Kapazität der Festplatte zu steigern. Für die weitere Steigerung der Kapazität und der Schreibgeschwindigkeit stößt das magnetische Verfahren  jedoch auf fundamentale Grenzen. Als Ausweg aus diesem Dilemma wird intensiv nach alternativen Schreibmethoden gesucht.

Eine Alternative bietet die magneto-elektrische Kopplung: Hier wird magnetische Information durch Anlegen eines elektrischen Feldes geschrieben. Dieses Phänomen tritt bisher vor allem in komplexen Isolatoren auf. In dreidimensional ausgedehnten Metallen tritt dieser Effekt nicht auf, da eine induzierte Oberflächenladung ein elektrisches Feld an der Metalloberfläche abschirmt. Im Gegensatz dazu bewegen sich an der Oberfläche (typischerweise eine Atomlage) sowohl die negativ geladenen Elektronen als auch die positiv geladenen Atomrümpfe leicht durch das elektrische Feld und tragen zur Bildung der Oberflächenladung bei. Je nach Richtung des elektrischen Feldes verkleinert oder vergrößert sich dabei der Abstand zwischen den Atomen der beiden obersten Atomlagen um wenige milliardstel Millimeter. Diese Verschiebung reicht bereits aus, um die magnetische Ordnung in Eisen zu beeinflussen.

In diesem Projekt verwendeten die Forscher des Physikalischen Instituts am KIT und ihre Kollegen in Halle ein Modellsystem von zwei Atomlagen Eisen auf einem Kupfersubstrat. Theoretische Rechnungen implizieren, dass in diesem System Information über die magneto-elektrische Kopplung geschrieben werden kann. Für die experimentelle Realisation kam ein Rastertunnelmikroskop (RTM) zum Einsatz, das sowohl die Abbildung metallischer Oberflächen erlaubt, als auch das nötige, extrem hohe elektrische Feld von eine Milliarde Volt pro Meter liefern kann. In Übereinstimmung mit den Vorhersagen wurden magnetische Bits in Größe von nur 1 nm x 2 nm mit Hilfe des lokalen elektrischen Feldes unter der feinen Spitze des Rastertunnelmikroskos geschrieben. (tp/del)

Externer Link: www.kit.edu

Verband zeigt Infektionen an

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom November 2010

Wunden müssen regelmäßig kontrolliert werden. Nur so lassen sich Komplikationen beim Heilungsprozess frühzeitig erkennen. Ein neuartiges Material ermöglicht künftig die Wundkontrolle ohne Verbandswechsel: Im Fall einer Infektion ändert das Material seine Farbe.

Ob ein kleiner Schnitt mit dem Obstmesser, eine Operationswunde oder eine größere Verletzung durch einen Sturz: das körpereigene Abwehr- und Reparatursystem wird sofort aktiv und versucht, die Wunde so schnell wie möglich zu schließen. Kleine Verletzungen verheilen meist innerhalb weniger Tage. Klaffen Wundränder jedoch auseinander, dauert der Heilungsprozess länger – es kann noch Tage später zu einer Infektion kommen. Ein Verband schützt die angegriffene Haut zwar, zur Wundkontrolle muss er jedoch entfernt werden. Dies kann für den Patienten nicht nur schmerzhaft sein, es besteht zudem die Gefahr, dass Keime in die Wunde gelangen. Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München haben jetzt Verbandmaterialien und Pflaster entwickelt, welche krankhafte Veränderungen der Haut anzeigen: Liegt eine Infektion vor, sieht man einen Farbwechsel von gelb nach violett.

Dr. Sabine Trupp, Wissenschaftlerin am EMFT, erklärt die chemische Reaktion: »Wir haben einen eigens entwickelten Indikatorfarbstoff, der auf unterschiedliche pHWerte reagiert, in einen Verband und in ein Pfl aster integriert. Gesunde Haut und abgeheilte Wunden weisen in der Regel einen pH-Wert von unter 5 auf. Steigt dieser Wert, so bewegt er sich vom sauren in den alkalischen Bereich. Dies deutet auf Komplikationen bei der Wundheilung hin. Bei einem pH-Wert zwischen 6,5 und 8,5 liegt häufi g eine Infektion vor, der Indikatorfarbstreifen färbt sich violett.« Das intelligente Verbandmaterial ermöglicht somit eine regelmäßige Wundkontrolle von außen, die den Heilungsverlauf nicht störend beeinträchtigt.

Die Herstellung des Farbkontrollstreifens hat die Forscher vor hohe Anforderungen gestellt, schließlich sollte er gleich mehrere Voraussetzungen erfüllen: »Der Farbstoff muss chemisch stabil an die Fasern des Verbandmaterials beziehungsweise des Pflasters gebunden sein. Nur so ist gewährleistet, dass er nicht in die Wunde gelangt. Zugleich muss der Indikator eine deutliche Farbänderung anzeigen und darüber hinaus im richtigen pH-Bereich sensitiv reagieren«, sagt Trupp. All dies ist den Experten gelungen. Ein Prototyp des Verbands liegt bereits vor, erste Tests sind erfolgreich verlaufen. Auch über eine Weiterentwicklung ihres Produkts denken die Forscher bereits nach. Künftig sollen in den Verband integrierte optische Sensormodule den pH-Wert messen und die Ergebnisse am Display eines Lesegeräts anzeigen. Mit dieser Methode ließe sich der Wert präzise ablesen, ein Rückschluss auf den Wundheilungsprozess wäre möglich.

Doch wie geht es weiter? Als nächstes steht die klinisch-dermatologische Anwendung in der Klinik und Poliklinik für Dermatologie der Universität Regensburg an. Dr. med. Philipp Babilas wird das Projekt von medizinischer Seite betreuen: »Unsere bisherigen Studien zum pH-Wert in akuten wie auch in chronischen Wunden haben gezeigt, dass er eine zentrale Rolle in der Wundheilung spielt.« Derzeit sind Dr. Trupp und ihr Team auf der Suche nach einem Industriepartner, um den Verband kommerziell produzieren zu können.

Externer Link: www.fraunhofer.de