Heute im Kurzinterview: Herr Dipl.-Inf. Jan Aits, Vorstand Technik der :a:k:t: Informationssysteme AG, zum Thema “Hochschulkooperation”.
Die :a:k:t: Informationssysteme AG hat ihren Sitz in Passau und ist Spezialist für softwarebasierte Geschäftsprozess-Optimierung.
Frage 1: In welchen Bereichen haben Sie bereits mit Hochschulen zusammengearbeitet beziehungsweise kooperieren Sie aktuell?
Wir arbeiten mit der Universität Passau zusammen und zwar insbesondere mit der Fakultät für Informatik und Mathematik. In den Jahren 2008 bis 2010 haben wir im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts sehr erfolgreich ein softwarebasiertes Beratungssystem entwickelt. Neben dem klassischen Informatikbereich arbeiten wir aber auch in betrieblichen, die IT betreffenden Themen wie Sicherheit und Energieeffizienz zusammen; so kooperieren wir aktuell mit der Universität Passau im Rahmen des EU-Projekts “All4Green”, um unser großes Rechenzentrum noch effizienter betreiben zu können.
Frage 2: Welche Formen der Zusammenarbeit mit Hochschulen planen Sie beziehungsweise würden Sie sich von den Hochschulen wünschen?
Dass in gemeinsamen Arbeiten die Hochschule den akademischen Anteil einbringt und wir den praktischen Part beisteuern, empfinden wir geradezu als vorbildlich. In einem technologischen Umfeld wie der IT funktioniert das problemlos. Außerhalb der Informatik sehen wir jedoch noch Möglichkeiten in den Bereichen Betriebswirtschaft und Recht. Eine Innovation ist eben nur eine Innovation, wenn man sie auch rechtssicher auf den Markt bringen kann. Wir sind ein Passauer Unternehmen, stehen zur Region Passau und wollen weiterhin mit der Universität Passau zusammenarbeiten. Bezüglich des fächerübergreifenden, ganzheitlichen Ansatzes sehen wir in der strategischen Fokussierung der Universität Passau im Rahmen des integrierten Konzeptes “Technik Plus” hierfür enormes Potential.
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Archiv für den Monat März 2012
Quantengravitation im Spiegel sehen?
Pressemeldung der Universität Wien vom 18.03.2012
Auf der Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen wird die Verschmelzung der Quantenphysik mit Einsteins Theorie der Gravitation erwartet. Diese Skala ist jedoch so weit von heutigen experimentellen Möglichkeiten entfernt, dass es als nahezu unmöglich gilt, die Quantengravitation zu testen. Eine Forschungskollaboration zwischen den Gruppen von Časlav Brukner und Markus Aspelmeyer, beide Professoren auf dem Bereich der Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Universität Wien, sowie der Gruppe von Myungshik Kim, Professor am Imperial College London, hat jetzt ein Experiment mit Spiegeln auf der Skala der Planck-Masse vorgeschlagen, mit dem man einige Quantengravitationstheorien im Labor überprüfen könnte. Die Resultate werden diese Woche im Fachjournal “Nature Physics” publiziert.
Eine seit langem ungelöste Aufgabe
Eine der wichtigsten und spannendsten Aufgaben der modernen Physik ist die Suche nach einer Theorie, die die Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereinigt. Die Quantenmechanik beschreibt die Physik, die sich auf den Größenordnungen von einzelnen Teilchen, Atomen und Molekülen zeigt. Andererseits zeigt sich Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vor allem bei großen Massen. Eine vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation erwartet man erst auf der so genannten Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen. Die Planck-Länge ist gerade mal 1.6 x 10-35 Meter groß: Würde man diese Länge als 1 Meter definieren, so wäre ein Atom so groß wie das gesamte sichtbare Universum. Und auch die Planck-Energie ist so groß, dass selbst der Large Hadron Collider des CERN nur einen winzigen Bruchteil dieser Energie erreicht. Um nahe an die Planck-Energie zu kommen, müsste ein Teilchenbeschleuniger eine astronomische Größe haben. Die Planck-Skala kann auch durch die Planck-Masse beschrieben werden: Ein Staubkorn hat etwa diese Masse, was im Vergleich zu Atomen extrem schwer ist, sodass Quanteneffekte für solche Massen als nicht beobachtbar gelten. Die Planck-Skala ist somit so weit von Experimenten entfernt, dass es als nahezu unmöglich gilt, Theorien der Quantengravitation zu testen. Trotzdem haben Physiker jetzt einen Weg gefunden, Vorhersagen mancher Theorien der Quantengravitation im Experiment mit massiven Spiegeln zu testen.
Die Reihenfolge macht den Unterschied
Die Quantenmechanik verbietet es, die Position und die Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig zu kennen. Trotzdem sind aufeinanderfolgende Messungen vom Ort und vom Impuls möglich: Entweder man misst zuerst den Ort und dann den Impuls oder umgekehrt. In der Quantenphysik erhält man unterschiedliche Resultate, je nachdem welche Reihenfolge man wählt. Viele Theorien zur Quantengravitation besagen jedoch, dass sich dieser Unterschied abhängig von der Masse ändert, denn die Planck-Länge begrenzt die Messgenauigkeit von Entfernungen. Die Forscher in Wien und in London haben jetzt gezeigt, dass trotz dieser nur sehr kleinen Änderung ein messbarer Effekt bei sehr massiven Quantensystemen auftreten kann.
Neue Theorien mit beweglichen Spiegeln testen
Die Idee der Forscher besteht darin, diese Differenz zwischen den beiden Messreihenfolgen in neuen Quantensystemen zu testen: Mit neuen Techniken und Quantentechnologien ist es seit kurzem möglich, massive, bewegliche Spiegel in Quantenzustände zu bringen und diese mit sehr hoher Präzision auszumessen. Die Forscher schlagen vor, vier Wechselwirkungen zwischen einem Laserpuls und einem beweglichen Spiegel zu nutzen, um genau diesen Unterschied zwischen der Reihenfolge der Messungen des Orts und des Impulses zu untersuchen. Indem man die Wechselwirkungen ganz genau zeitlich koordiniert und präzise implementiert, ist es möglich, diesen Effekt auf den Laserpuls zu übertragen und ihn dann mit quantenoptischen Methoden auszulesen. “Jegliche Abweichung von dem erwarteten quantenmechanischen Ergebnis wäre sehr spannend”, sagt Igor Pikovski, Hauptautor der Forschungsarbeit, “und selbst wenn man keine Abweichung misst, erhält man eine Einschränkung für mögliche neue Theorien”. In der Tat machen einige der Theorien zur Quantengravitation von der Quantenmechanik abweichende Vorhersagen für das Ergebnis des Experiments. Die Forscher zeigen mit ihrer Arbeit, dass es möglich sein kann, einige Vorhersagen der immer noch unverstandenen Quantengravitation direkt auf dem Labortisch zu testen.
Publikation:
Probing Planck-scale physics with quantum optics: I. Pikovski, M. R. Vanner, M. Aspelmeyer, M. S. Kim and C. Brukner. Nature Physics (2012)
DOI: 10.1038/NPHYS2262
Externer Link: www.univie.ac.at
Immer der Reihe nach: Molekülkontrolle am Nano-Sensor
Pressemitteilung der TU München vom 19.03.2012
Nano-Rezeptoren identifizieren einzelne Moleküle:
In der Natur gibt es viele Vorbilder für hochsensitive Sensoren. Ein Beispiel dafür sind die Geruchsrezeptoren der menschlichen Nase, die ganz speziell auf einzelne Moleküle ansprechen. Davon inspiriert, hat ein Forscherteam der Technischen Universität München und der Goethe Universität Frankfurt jetzt ein System aus festkörperbasierten Nanoporen entwickelt, mit dem sich einzelne Moleküle identifizieren lassen. Gegenüber früheren Arbeiten auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftler erreicht, dass der Sensor zwei Eigenschaften vereint: Er reagiert auf einzelne Moleküle und erkennt gleichzeitig ihre Identität. Damit eröffnen sich vielfältige Anwendungen in der Nanodiagnostik, etwa die Analyse des gesamten Proteinportfolios in einer Körperzelle. Die Arbeit wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Die Entwicklung hochauflösender Nachweismethoden auf molekularer Ebene schreitet immer weiter voran. Inzwischen gibt es viel versprechende Ansätze für neue Nanowerkzeuge, mit denen sich selbst einzelne Moleküle identifizieren lassen. Eines dieser Verfahren arbeitet nach dem Prinzip einer Nanoschleuse, die Moleküle nur einzeln passieren lässt. Dem Wissenschaftler-Team aus München und Frankfurt ist es jetzt gelungen, einen solchen Nano-Sensor zusätzlich mit biologischen Funktionen auszustatten, so dass auch die Identität der durchgeschleusten Moleküle ermittelt werden kann.
Das Prinzip des Sensors: Mit Hilfe eines Elektronenstrahls bohren die Wissenschaftler winzige Löcher mit einem Durchmesser von 25 Nanometer in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid. Diese Öffnung ist gerade groß genug für ein einzelnes Molekül. Um sicherzugehen, dass Biomoleküle nicht zufällig an Unebenheiten der Pore binden, wird diese mit einer selbstorganisierenden Schicht ausgekleidet, an der Proteine nicht haften bleiben. In dieser Schicht ist der Rezeptor aus mehreren Nitrilotriessigsäure-Molekülen verankert. Dieser Rezeptor erkennt und bindet spezifische Moleküle, die vorab mit einem „Etikett“ aus sechs Aminosäuren (Histidin) ausgezeichnet wurden. Nach dem gleichen Prinzip können aber auch ganze Proteine in der Pore eingesetzt werden, die wiederum als Torwächter andere Proteine beim Durchtritt „kontrollieren“ und gegebenenfalls für eine bestimmte Zeit binden. Die anorganische Pore übernimmt damit die biologische Funktion des verankerten Proteins. Auf diese Weise konnten die Forscher auch Subklassen von IgG-Antikörpern aus Ratten und Hamstern unterscheiden.
Die Messungen an der Nanoschleuse laufen in einer Salzlösung ab. Legt man elektrische Spannung an, strömen die Ionen der Lösung durch die Poren. Sobald sich das passende Biomolekül an den Rezeptor bindet, verengt sich die Pore und der Stromfluss nimmt ab. Auf diese Weise kann das An- und Abbinden eines bestimmten Moleküls in Echtzeit beobachtet werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sich nur ein einziger Rezeptor in der Pore befindet – was den Wissenschaftlern mit diesem Verfahren zum ersten Mal gelang.
Die möglichen Anwendungsgebiete dieses biomimetischen sensorischen Systems sind vielversprechend. So könnten schwierige Probleme in der Proteomik mit diesem Ansatz realisierbar sein, etwa die Analyse der Proteinzusammensetzung einer einzelnen Zelle. Zum anderen könnte dieses System als schneller und sensitiver Biosensor für das Screening von Pharmazeutika oder zur Detektion von Biowaffen dienen.
„Bisher richtet sich die Nanoporenforschung vor allem auf DNA-Detektion und Sequenzierung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Nanoporen das Potenzial haben, sich zu einem wichtiges Werkzeug in der Proteinforschung zu entwickeln“, erklärt Dr. Ulrich Rant vom Walter-Schottky-Institut und Institute for Advanced Study an der TU München. „Und wer weiß, vielleicht finden Nanoporen-Proteinsensoren schon bald Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Vorstellbar wäre zum Beispiel, bei Patienten molekulare Krankheitsmarker nachzuweisen, die in nur sehr geringen Konzentrationen vorkommen.“
„Die Zukunft bleibt spannend, da die Natur uns weiterhin in Selektivität und Spezifität voraus ist. Deshalb sind weitere Verbesserungen im Feld von sensorischen Systemen auf molekularer Ebene nötig“, ergänzt Prof. Robert Tampé vom Institut für Biochemie an der Goethe Universität Frankfurt. „Die Zusammenarbeit des Teams aus München und Frankfurt ist aber ein wichtiger Schritt in der Biosensorik und Nanodiagnostik auf Einzelmolekülebene.“
Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft SFB 863 und SFB 807), TUM Institute for Advanced Study, Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, und Exzellenzcluster Macromolecular Complexes (Goethe-Universität Frankfurt).
Publikation:
Stochastic sensing of proteins with receptor-modified solid-state nanopores Ruoshan Wei, Volker Gatterdam, Ralph Wieneke, Robert Tampé, and Ulrich Rant
Nature Nanotechnology, March 11, 2012. DOI: 10.1038/NNANO.2012.24
Externer Link: www.tu-muenchen.de
Dreidimensionale Halbleiterstrukturen erzeugen
Medienmitteilung der ETH Zürich vom 16.03.2012
Forscher der ETH Zürich und des CSEM Neuchatel haben zusammen mit italienischen Kollegen vom Politecnico di Milano und von der Università di Milano Bicocca eine neue Methode entwickelt, mit der Strukturen von höchster Perfektion aus völlig verschiedenen Halbleitern hergestellt werden. Die ersten Resultate dieses Forschungsprojekts wurden soeben im Fachmagazin “Science” publiziert.
Die neuartigen Strukturen können fast beliebig dick sein und werden auf kostengünstigen Halbleiterscheiben hergestellt. Diese Strukturen sind überdies nicht durch irgendwelche Verbindungstechniken aneinander gefügt, sondern monolithisch aufgebaut. Das heisst, sie bestehen aus einem Stück, was sich durch Verfahren des Schichtwachstums erreichen lässt, wie sie in der Mikroelektronik geläufig sind.
Dank der neuen Methode gelingt es, die Kristalldefekte, die üblicherweise beim Aufeinanderschichten von Lagen aus Atomen verschiedener Grösse auftreten, weitgehend zu eliminieren. Störende Substratverbiegung, verursacht durch unterschiedliche thermische Ausdehnung verschiedener Materialien, wird weitgehend vermieden. Die neue Methode unterbindet die fatale Bildung von Rissen in den Schichten, die durch thermische Spannungen entstehen.
Wie eine Tafel Schokolade
Dem Verfahren liegt eine bestechend einfache Idee zugrunde: Anstelle von zusammenhängenden Schichten bestehen die Strukturen aus einem raumfüllenden Verband isolierter Kristalle. Mit Hilfe der Photolithographie definieren die Forscher zunächst ein Muster von Flächen auf einer Siliziumscheibe, das einer Schokoladetafel gleicht, im Gegensatz zur Schokolade jedoch nur einige Mikrometer gross ist. Um diese Flächen herum werden danach tiefe Gräben in die Scheibe geätzt. Dadurch entstehen Substratsäulen, deren Höhe grösser ist als ihr Durchmesser. Anschliessend werden dreidimensionale Halbleiterstrukturen derart auf den Säulen erzeugt, dass zwischen benachbarten Kristallen stets ein minimaler Abstand eingehalten wird. Die Wissenschaftler perfektionierten ihre Methode so, dass sie 50 Mikrometer hohe, defektfreie Germaniumstrukturen auf Siliziumscheiben herstellen konnten. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse lassen sich zukünftig auf viele andere Materialkombinationen anwenden.
Bisher unerreichte Anwendungsmöglichkeiten
Die Fähigkeit, nahezu defektfreie, monolithische Halbleiterstrukturen herzustellen, eröffnet bisher unerreichte Anwendungsmöglichkeiten. Bei Röntgendetektoren können Absorber, in welchen Röntgenstrahlung in elektrische Signale umgewandelt werden, direkt auf die Ausleselektronik integriert werden. Mit Absorbern aus hohen, defektfreien Germaniumstrukturen lassen sich empfindliche, energie- und ortsauflösende Detektoren herstellen. Möglicherweise könnten dadurch die Strahlenbelastungen bei medizinischen Anwendungen drastisch gesenkt werden. Weiter lassen sich hocheffiziente, gestapelte photovoltaische Zellen aus Halbleitern herstellen, wobei sich jede Zelle für unterschiedliche Wellenlängenbereiche des Sonnenlichts eignet. Diese Art von Photozellen werden schon heute vor allem in der Raumfahrt verwendet. Da sich die Zellen mit dem beschriebenen Konzept auf Siliziumscheiben herstellen liessen, könnten in Zukunft die teuren, zerbrechlichen und schweren Germaniumsubstrate durch billigere, leichtere und mechanisch stabile Siliziumsubstrate ersetzt werden. Ähnliche Kosteneinsparungen liessen sich bei Leistungshalbleitern erzielen, indem sie auf grossflächige Siliziumscheiben aufgewachsen werden.
Die an den Forschungsarbeiten beteiligten schweizerischen Gruppen erfahren grosszügige Unterstützung durch das Nano-Tera Projekt «NEXRAY», eines dessen Ziele die Entwicklung neuartiger Röntgendetektoren ist. «Das CSEM ist stolz darauf ein solches interdisziplinäres Projekt mit den Partnern CSEM, EMPA und ETH Zürich zu koordinieren, das zu neuartigen Bauelementen führen wird», sagt Alex Dommann, der Programm Manager für MEMS am CSEM.
Veröffentlichung:
C.V. Falub et al., Scaling hetero-epitaxy from layers to three-dimensional crystals, Science Vol. 335 no. 6074 pp. 1330-1334, doi: 10.1126/science.1217666
Externer Link: www.ethz.ch
Unerschöpflicher Energieträger Wasserstoff
Presseinformation der Universität Innsbruck vom 20.03.2012
Methanol, Wasser und ein Kupfer-Zink-Katalysator: Mit diesen einfachen Zutaten könnte kostengünstig kohlenmonoxidfreier Wasserstoff gewonnen und damit Brennstoffzellen betrieben werden. Mit der Identifizierung jener Kupfer-Zink-Phase, mit der besonders sauberer Wasserstoff entsteht, nahmen Forscher vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck eine wichtige Hürde auf dem Weg zur zukunftsweisenden Energienutzung. Kürzlich berichteten sie darüber im Fachjournal Angewandte Chemie.
Wasserstoff (H2) als Bestandteil des Wassers und häufigstes Element im Universum würde sich als nahezu unerschöpflicher Energieträger anbieten. Das farb- und geruchlose Gas ist allerdings auch hochentzündlich und bildet unter anderem bei Kontakt mit Sauerstoff ein hochexplosives Gemisch. Um Probleme und Risiken bei Lagerung und Transport zu umgehen, müssen effiziente und nachhaltige Wege gefunden werden, chemisch gebundenen Wasserstoff in der jeweiligen Anwendung verfügbar zu machen. Als vielversprechender Wasserstofflieferant für mobile Anwendungen hat sich in den letzten Jahren Methanol (CH3OH) herauskristallisiert: Aus diesem einfachen Alkohol kann in einem Katalysator durch die sogenannte Methanoldampfreformierung einfach und rasch Wasserstoff erzeugt werden. Der Optimierung dieses Verfahrens, in dem Methanol mit Wasser reagiert, widmet sich im Rahmen eines FWF-Projekts seit 2008 die Arbeitsgruppe rund um Bernhard Klötzer am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol wollen wir möglichst viel H2 hoher Reinheit bekommen, müssen dabei aber die Produktion von Kohlenmonoxid vermeiden, da dieses die Elektroden der Brennstoffzellen blockiert, was in der Praxis nicht passieren darf“, schildert Bernhard Klötzer die große Herausforderung, die sich stellt wenn das Reformier-Verfahren in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden soll. Diese Brennstoffzellen können in mobilen Anwendungen wie etwa in Kraftfahrzeugen, U-Booten, Raumschiffen oder Akkuladegeräten für unterwegs zur Anwendung kommen.
Praxistauglichkeit als Herausforderung
Die idealen Voraussetzungen für die Wasserstoffgewinnung an einem Palladium-Zink-Katalysator konnten die Forscher bereits vor zwei Jahren zeigen. Jetzt haben sie die Reaktion an einem – wesentlich kostengünstigeren – Kupfer-Zink-Katalysator untersucht. „Es gibt viele Systeme, die zur Diskussion stehen. Aus der Sicht der Grundlagenforschung ist der Palladium-Zink-Katalysator aufgrund seiner thermischen Stabilität besonders geeignet, aber andererseits sehr teuer. Wenn es um die reale Anwendung geht, kommen nicht nur technische, sondern auch Kostenfragen ins Spiel“, verdeutlicht Klötzer. Aus diesem Grund gilt sein Interesse aktuell der Methanoldampfreformierung in den kostengünstigeren Kupfer-Zink-Katalysatoren. Diese sind eigentlich für die Umkehrreaktion, also die Methanolsynthese, konzipiert und kommen in der Industrie bereits zum Einsatz. „Was in die eine Richtung gut funktioniert, funktioniert im Prinzip auch in die Gegenrichtung, allerdings erfordert die Reformieranwendung wesentlich höhere Temperaturen und einen erhöhten Wasserdampfdruck. Der industrielle Methanolsynthese-Katalysator ist daher in der Reformieranwendung nicht stabil“, erläutert der Forscher. Mit seiner Arbeitsgruppe klärt er die Grundlagen und Voraussetzungen, unter denen die Reformierung stabil und selektiv funktioniert.
Zinkgehalt entscheidend für Wasserstoffgewinnung
Geforscht wird zu diesem Zweck an einem Modellkatalysator, der aus einer hochreinen Kupferfolie besteht, auf die wenige Atomlagen Zink aufgedampft werden. Das Wichtige ist dabei, dass die exakt richtige Menge Zink verwendet wird. „Wenn zu viel Zink verwendet wird, bildet sich eine flächendeckende Schicht aus Zinkoxid, die inaktiv ist“, erklärt Klötzer. Am Modellkatalysator war es den Forschern in Zusammenarbeit mit dem Fritz-Haber-Institut in Berlin möglich, am Synchrotron BESSY II spektroskopische Analysen der Oberfläche unter Reformierbedingungen durchzuführen – ein entscheidender Vorteil zu realen, technischen Katalysatoren. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den Oxidationszustand und Verteilung des Zinks „life“ beobachten. „Unter Reaktionsbedingungen hat sich gezeigt, dass sich auf einem Teil der Katalysatoroberfläche Zinkoxid-Inselchen gebildet haben, daneben jedoch immer noch eine Kupfer-Zink-Bimetall-Oberfläche existierte. Genau in diesem Moment der Koexistenz steigt die Aktivität des Katalysators um den Faktor 1000, die Wasserstoffproduktion ist, aufgrund der Fähigkeit der Metall-Oxid-Grenzfläche, Wasser zu spalten, genau in dieser Phase besonders effizient“, hebt er ein zentrales Ergebnis der Forschungsarbeit hervor, die für das Verständnis der Methanoldampfreformierung einen entscheidenden theoretischen, aber auch praktischen Schritt bedeutet. „Die Wasserspaltung ist generell für viele künftige Anwendungen in der Energietechnik ein wichtiges Thema“, ist Klötzer überzeugt.
Publikation:
C. Rameshan, W. Stadlmayr, S. Penner, H. Lorenz, N. Memmel, M. Hävecker, R. Blume, T. Rocha, D. Teschner, D. Zemlyanov, A. Knop-Gericke, R. Schlögl, B. Klötzer, Hydrogen Production by Methanol Steam Reforming on Copper Boosted by Zinc-Assisted Water Activation, Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2012) 3002-3006.
Externer Link: www.uibk.ac.at