Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.
Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:
Learning From Data (Introductory Machine Learning)
Yaser S. Abu-Mostafa (Caltech)
Start: 18.09.2016 / Arbeitsaufwand: 100-200 Stunden
Externer Link: www.edx.org
Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2016
Kinder mit angeborenen Herzfehlern müssen oft eine lange Reihe von belastenden Untersuchungen und Eingriffen über sich ergehen lassen. Im EU-Projekt CARDIOPROOF haben Fraunhofer-Forscher eine Software entwickelt, mit denen sich bestimmte Interventionen im Vorfeld simulieren lassen. Erste Erfahrungen zeigen, dass man dadurch künftig auf manch einen Eingriff verzichten könnte.
Für die Eltern ist es zunächst ein Schock: Wird ihr Kind mit einer Aortenisthmusstenose geboren, ist die Aorta so stark verengt, dass früher oder später lebensgefährliche Herzprobleme drohen. Zum Glück lässt sich dieser Herzfehler heute gut behandeln, etwa durch das Einführen einer Gefäßstütze (Stent). Allerdings sind, verteilt über die Jahre, oft mehrere Eingriffe nötig – eine Belastung für Kind und Eltern. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS in Bremen hat eine Software entwickelt, die verschiedene Arten von Interventionen simulieren kann und dadurch einen Vergleich zwischen ihnen ermöglicht. Dadurch könnte die Qualität der Therapie verbessert sowie die Notwendigkeit eines Eingriffs erwogen werden. So manche Operation könnte den jungen Patienten erspart bleiben. Die Arbeiten erfolgten im EU-Projekt CARDIOPROOF, das Ende 2016 abgeschlossen sein wird.
Ausgangspunkt für die Rechnersimulation sind Bilder, die ein Magnetresonanz-Scanner (MR-Scanner) von den Herzen der Patienten macht. Die Aufnahmen zeigen nicht nur die Form der Gefäße, sondern stellen auch den Blutfluss dar. »Daraus können unsere Algorithmen ermitteln, welche Blutdruck-Verhältnisse dort herrschen«, erläutert Dr. Anja Hennemuth, Forscherin bei Fraunhofer MEVIS. »Wichtig ist unter anderem, wie stark sich der Blutdruck vor und hinter einer Gefäßverengung unterscheidet.« Ausgehend von dieser sogenannten Druckfeldsimulation können die Experten verschiedene Arten von Interventionen im Rechner nachbilden und abschätzen, welche Auswirkungen der jeweilige Eingriff hätte.
Gefäßstützen virtuell testen
So ist es den Forschern möglich, einen virtuellen Ballonkatheter aufzublasen und zu prüfen, wie sich das auf Blutfluss und Blutdruck auswirken würde. Oder sie spielen am Rechner das Einsetzen verschiedenartiger Gefäßstützen durch. Mit diesem »virtuellen Stenting« sind sie in der Lage, herauszufinden, welches Stent-Modell am besten geeignet ist und an welcher Stelle es positioniert werden sollte. »Mit Hilfe unserer Software können die Mediziner fundierter entscheiden, welche Art von Eingriff am günstigsten ist, ob man ihn auf einen späteren Zeitpunkt verschieben sollte und ob eine Intervention überhaupt nötig ist«, erläutert Hennemuth.
CARDIOPROOF hat zum Ziel, ein praxistaugliches System für den klinischen Einsatz zu entwickeln. »Wir wollten die Methode so gestalten, dass sie für den Ablauf im Krankenhaus nutzbar ist«, betont Hennemuth. Dazu haben die Bremer Fachleute eng mit den am Projekt beteiligten Kliniken zusammengearbeitet. Unter anderem untersuchten sie, wie sich die neue Software am besten in die Abläufe in den Krankenhäusern integrieren lässt. Auch die Nutzeroberfläche wurde in enger Abstimmung mit den Ärzten entwickelt und getestet.
Software berechnet Blutströme und -drücke
Um zu prüfen, wie realitätsgetreu die Computersimulationen sind, haben die Experten klinische Studien am Deutschen Herzzentrum in Berlin durchgeführt. Dazu wurden die jungen Herzpatienten nach dem Eingriff nochmals per MR-Scanner untersucht. Dadurch ließen sich die Blutströme vor und nach der Intervention erfassen und mit den Simulationen abgleichen. Das Ergebnis: Das Softwaretool sagt die Blutströme und -drücke hinreichend genau voraus.
Mit Hilfe der webbasierten Software kann der Mediziner innerhalb von 30 Minuten Blutfluss und Blutdruck in der Aorta rekonstruieren. Anschließend lässt sich virtuell ein Eingriff durchspielen. Das Ergebnis dieser Simulation liegt in der Regel nach einer weiteren halben Stunde vor. »Wir haben die Eignung für die klinische Praxis gezeigt«, sagt Anja Hennemuth. »Die nächsten Schritte wären Qualitätssicherung, Zulassung und Überführung in eine kommerzielle Lösung.« Ein entsprechendes Anschlussprojekt ist bereits von LYNKEUS, einem der CARDIOPROOF-Industriepartner, bei der EU beantragt.
Dass die Computersimulationen nicht nur die Belastung für Kinder und Eltern senkt, sondern auch Kosten fürs Gesundheitssystem spart, hat ein weiterer Projektpartner ermittelt: Die London School of Economics analysierte im Detail, welchen finanziellen und organisatorischen Nutzen das neue Verfahren gegenüber der derzeitigen Praxis haben könnte. Das Ergebnis: Da die Software die Zahl von Komplikationen und Nachfolgebehandlungen verringern dürfte, könnten die Behandlungskosten pro Patient in einem Idealszenario bis zu zehn Prozent sinken.
Externer Link: www.fraunhofer.de
Performance:
Der TecDAX der Deutschen Börse AG legte im August 2016 um circa 1% zu.
Trend:
Auf Monatsbasis bedeutet der August 2016 das zweite Plus in Folge.
Presseaussendung der TU Wien vom 16.08.2016
Ein Quanten-Chip, der Infrarotbilder aufnehmen kann – und zwar schneller und ohne aufwändige Kühlung: Eine Erfindung der TU Wien verspricht spannende Anwendungsmöglichkeiten.
Ein Schiff ist gekentert – weit draußen am Meer. Schwimmen irgendwo noch hilfesuchende Überlebende herum? Mit einer Wärmebildkamera, auf einer Drohne montiert, lässt sich das auch bei Nacht rasch feststellen. Doch für Kameras, die Infrarotstrahlung detektieren, gibt es auch noch viele andere Einsatzszenarien. Man könnte sie zum Beispiel in der Umwelttechnik verwenden, um bestimmte Chemikalien nachzuweisen. An der TU Wien gelang es nun, einen neuartigen Infrarot-Detektor zu entwickeln, der mehrere Vorteile vereint: Er ist schnell, muss nicht gekühlt werden und lässt sich ganz spezifisch auf bestimmte Wellenlängen optimieren.
Wärme und Quanten
„Grundsätzlich gibt es heute zwei Typen von Detektoren für Infrarotstrahlung“, erklärt der Elektrotechniker Prof. Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien. „Thermische Detektoren, die auf Wärme reagieren, und photonische Detektoren, in denen die einfallende Strahlung quantenphysikalische Prozesse auslöst.“
Zur ersten Gruppe gehören die sogenannten Bolometer. Sie enthalten elektronische Bauteile, die von der Strahlung erwärmt werden und dadurch ihren elektrischen Widerstand ändern. Das geht nicht besonders schnell und nicht besonders präzise, aber es genügt, um beispielsweise ein Wärmebild eines Gebäudes zu erstellen und zu sehen, an welchen Stellen die Wärmedämmung verbessert werden muss.
Photonische Detektoren hingegen funktionieren ganz anders: In ihnen wird Infrarotlicht absorbiert, Elektronen werden dadurch in einen höheren Energiezustand versetzt, und diese Zustandsänderung der Elektronen wird dann gemessen. „Ein großes Problem dabei ist allerdings der Dunkelstrom“, sagt Strasser. „Auch wenn gar keine Infrarotstrahlung auf den Detektor trifft – ein gewisses Hintergrundsignal, ein permanentes Grundrauschen bekommt man immer.“
Das hat damit zu tun, dass man an diese Detektoren eine Spannung anlegen muss. Der Detektor wird warm, durch Wärmeprozesse im Detektormaterial werden dieselben elektronischen Vorgänge ausgelöst wie durch das Infrarotlicht, das man eigentlich detektieren möchte. Ab einer gewissen Temperatur wird der Detektor unbrauchbar, daher kühlt man die Geräte meist mit flüssigem Stickstoff. Wenn eine aufwändige Kühlung nötig ist, werden die Detektoren allerdings teuer, groß und schwer.
Quantenkaskaden-Detektor
An der TU Wien ging man einen anderen Weg: Man baute einen Array aus Quantenkaskaden-Detektoren. Sie bestehen aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Spannung muss keine angelegt werden, das Bildrauschen ist gering, eine Kühlung ist nicht nötig.
Hergestellt wurde ein Detektor-Chip mit 8×8 Pixeln, der auf Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 4,3µm reagiert. „Es ging darum, das Prinzip zu demonstrieren, ein Hochskalieren auf eine höhere Pixel-Anzahl wäre technisch kein Problem“, sagt Gottfried Strasser. Auch die Wellenlänge, auf die der Detektor optimiert ist, lässt sich gezielt anpassen. Das bietet besonders interessante Möglichkeiten:
Infrarotstrahlung kann Moleküle nämlich zu bestimmten Vibrationen oder Rotationen anregen. Zu jeder dieser Anregungen gehört eine ganz bestimmte Wellenlänge. Daher können unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Infrarot-Wellenlängen absorbieren, jedes Molekül hat einen ganz spezifischen Infrarot-Fingerabdruck, anhand dessen man es zweifelsfrei identifizieren kann. Eine Infrarot-Kamera, die hochspezifisch Strahlung mit ganz bestimmten Wellenlängen abbildet, könnte man daher nutzen, um auf einen Blick die Verteilung unterschiedlicher Moleküle zu ermitteln. (Florian Aigner)
Externer Link: www.tuwien.ac.at
Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.08.2016
Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, mithilfe eines Rasterkraftmikroskops einem Silberkatalysator bei der Arbeit zuzusehen. Aus den Beobachtungen während einer sogenannten Ullmann-Reaktion können die Forscher deren Energieumsatz berechnen und die Katalyse damit möglicherweise optimieren. Die Studie, die mit Fachkollegen aus Japan und dem Iran entstand, wurde in der Wissenschaftszeitschrift «Small» veröffentlicht.
Die untersuchte Ullmann-Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Silberatome die Bindung von zwei Kohlenstoffatomen katalysieren, an denen vorher Iod gebunden war. Obwohl diese Art der Reaktion schon seit 1901 bekannt ist und für zahlreiche wichtige chemische Umwandlungen angewendet wird, konnte das Zwischenprodukt dieser Reaktion bisher nicht genau beobachtet werden.
Dieses Zwischenprodukt haben nun Forscher um Prof. Ernst Meyer und Dr. Shigeki Kawai vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel mithilfe eines Rasterkraftmikroskops in atomarer Auflösung dargestellt.
Überraschenderweise zeigte sich, dass die Silberatome schon bei Temperaturen von etwa –120 °C mit den Molekülen reagieren und gekrümmt wie eine Brücke über einen Fluss erscheinen. Im zweiten Schritt der Reaktion, der eine Temperaturerhöhung auf etwa 105 °C benötigt und zum Endprodukt führt, werden die Silberatome wieder frei und zwei Kohlenstoffatomen binden aneinander.
Energieberechnung möglich
Die Ullmann-Reaktion wird schon seit Langem für chemische Synthesen genutzt. In jüngster Zeit hat sich das Interesse an dieser Kopplung von Kohlenstoffatomen weiter verstärkt, da damit organische Moleküle an Oberflächen gebunden und lösungsmittelfrei Polymere hergestellt werden. Eine genaue Beobachtung der Arbeit des eingesetzten Katalysators lässt die Wissenschaftler den Ablauf der Reaktion besser verstehen.
Bisherige Analysen konnten die räumliche Anordnung des metallorganischen Zwischenprodukts nicht zeigen. Erst die jetzt erhaltenen detailgenauen Aufnahmen ermöglichten dem Projektpartner Prof. Stefan Goedecker vom Departement Physik der Universität Basel, den Energieumsatz der untersuchten Ullmann-Reaktion zu berechnen. Diese Daten bestätigten die ungewöhnliche räumliche Anordnung des Zwischenprodukts und liefern Hinweise zur Optimierung der Reaktion.
Relativ geringe Temperaturen
Es liegt wahrscheinlich an der beobachteten Krümmung bzw. Flexibilität der Moleküle, dass die Reaktion relativ geringe Temperaturen von 105 °C benötigt. Die Moleküle stehen unter mechanischer Spannung und können somit leichter reagieren, also bei geringeren Temperaturen. Wenn es gelänge, auch mit andern Katalysatoren solche unter Spannung stehende Zwischenprodukte zu erreichen, könnten katalytische Reaktionen auch bei tieferen Temperaturen möglich werden. Dies wäre ökologisch und ökonomisch sinnvoll, da klassische Katalysatoren mit Platin, Rhodium oder Palladium oft hohe Betriebstemperaturen von 500 °C benötigen – was zur Emission von Abgasen im kalten Zustand führt.
Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Departement Physik der Universität Basel, dem National Institute of Materials Science (Japan), der Japan Science and Technology Agency (Japan), der University of Tokyo (Japan) und der Shadid Beheshti University (Iran) durchgeführt.
Originalarbeit:
Shigeki Kawai, Ali Sadeghi, Toshihiro Okamoto, Chikahiko Mitsui, Rémy Pawlak, Tobias Meier, Jun Takeya, Stefan Goedecker and Ernst Meyer
Organometallic Bonding in an Ullmann-Type On-Surface Chemical Reaction Studied by High-Resolution Atomic Force Microscopy
Small (2016), DOI: 10.1002/smll.201601216
Externer Link: www.unibas.ch