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Archiv des Autors: PaulWutz
MOSAIC: Startschuss für neuen Spektrographen der ESO
Pressemeldung der Universität Wien vom 18.03.2016
Weiteres Instrument für das Europäische Riesenteleskop (E-ELT) mit Beteiligung der Universität Wien
Der neue Multiobjekt-Spektrograph MOSAIC der Europäischen Südsternwarte ESO soll künftig durch seine Messungen viele Gebiete der Astrophysik revolutionieren – von Extrasolaren Planeten und Sternen bis zum Rand unserer Milchstraße, über die Welt der Galaxien mit ihren supermassiven Schwarzen Löchern bis zu den allerersten Strukturen nach dem Urknall. In voraussichtlich zehn Jahren wird das künftige „Zugpferd“ am Riesenteleskop E-ELT (European Extremely Large Telescope) eingesetzt werden. Der Astrophysiker Bodo Ziegler von der Universität Wien wird dieses Hochleistungsinstrument nutzen, um die ersten Objekte im Universum zu studieren und die physikalischen Eigenschaften der Galaxien über kosmologische Epochen hinweg zu messen. Der Kooperationsvertrag wird am Freitag zwischen ESO und dem MOSAIC-Konsortium in Paris unterzeichnet.
ESO und das MOSAIC-Konsortium unterzeichnen beim Kick-off Meeting am Pariser Observatorium den Vertrag zur Phase-A-Studie zur Errichtung des MOSAIC-Multiobjekt-Spektrographen. Während der sogenannten „Phase A“ werden detaillierte Baupläne für die Konstruktion erstellt – dabei müssen vielfältige Aspekte (z.B. Adaptive Optik) der technischen Spezifikationen zur Erreichung der hoch gesteckten wissenschaftlichen Ziele berücksichtigt werden. Danach wird eine Strategie für die Bauphase („Phase B“) und die anschließende Integration in das Großteleskop entwickelt. In der gesamten Zeit werden die astronomischen Anwendungen erarbeitet, wobei die geplanten wissenschaftlichen Projekte durch realitätsgetreue Simulationen erprobt werden.
Spektrographen sind die am meisten genutzten Instrumente in der Astrophysik. Auch MOSAIC wird alle Disziplinen der Astronomie bedienen, mit Hilfe von 200 einzelnen Spalten und 10 weiteren 3D-IFUs (Integral Field Units, die Objekte räumlich auflösen können) bis zu 200 leuchtschwache Objekte gleichzeitig im Blickfeld spektroskopieren, und damit das Licht in seine einzelnen Energiekomponenten zerlegen.
Mit seinen Messungen wird MOSAIC neue Erkenntnisse liefern, die wichtige Fragen der modernen Astrophysik beantworten werden. Dies betrifft etwa die Bereiche Extrasolare Planeten, Chemie der Sterne, unser galaktisches Zentrum mit seinem Schwarzen Loch, Entstehung und Entwicklung der Galaxien und deren großräumige Struktur sowie die Verteilung der Materie im Universum und die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie.
Bodo Ziegler vom Institut für Astropyhsik der Universität Wien plant die allerersten Objekte im Detail zu untersuchen. Schon heute ist bekannt, dass die ersten Sterne in der für KosmologInnen kurzen Zeit von 400 Millionen Jahren nach dem Urknall zu leuchten begannen. „Wir haben viele Fragen: Wie konnten sie entstehen, warum gruppieren sie sich zu Galaxien, wie setzen sie sich chemisch zusammen oder warum wachsen Strukturen zu immer größeren Galaxien zusammen“, erläutert Ziegler. Antworten auf diese fundamentalen Fragen will der Astrophysiker mit Hilfe der Messungen der MOSAIC-Faserspektren finden.
Für ein anderes größeres Projekt möchte Ziegler mit MOSAIC räumlich aufgelöste Spektren von Galaxien gewinnen, die in acht bis zwölf Milliarden Lichtjahren Entfernung liegen; einer kosmologischen Epoche, in der im Universum die meisten Sterne und Quasare entstanden sind. Die Beobachtungsdaten sollen wichtige physikalische Parameter der Galaxien messen, aus denen physikalische und chemische Prozesse dieser Galaxien abgeleitet werden. Nur mithilfe dieser Spektroskopie können die AstrophysikerInnen u.a. Sternentstehungsraten, chemische Zusammensetzung, Kinematik (Bewegungen) der Sternpopulationen und dynamisches Gravitationspotential (inklusive Dunkler Materie) dieser extrem leuchtschwachen und kleinen Galaxien mit hoher Genauigkeit messen.
MOSAIC ist eines von insgesamt drei wissenschaftlichen Instrumenten des E-ELT mit österreichischer Beteiligung. Joao Alves und Manuel Güdel, ebenfalls vom Institut für Astrophysik an der Universität Wien, sind jeweils österreichische Projektleiter: Alves für die MICADO-Kamera bzw. Güdel für das Infrarot-Instrument METIS.
Das MOSAIC-Konsortium besteht aus WissenschafterInnen und TechnikerInnen aus den fünf wichtigsten Geldgeber-Ländern Frankreich, Vereinigtes Königreich, Niederlande, Deutschland und Brasilien, sowie assoziierten Partnern in Österreich, Finnland, Italien, Portugal, Spanien und Schweden.
Externer Link: www.univie.ac.at
Empfindliche Quantenteilchen: Wichtiges Phänomen der Quantenphysik mit etablierten Messverfahren messbar
Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 21.03.2016
Innsbrucker Physiker haben eine neue Methode entwickelt, mit der relativ einfach ermittelt werden kann, ob Teilchen miteinander verschränkt sind. Die nun in der Fachzeitschrift Nature Physics präsentierte Methode ist vor allem für den Nachweis von Quantenverschränkung in großen Teilchensystemen interessant und könnte helfen, Messverfahren präziser zu machen und Materie besser zu verstehen.
Verschränkung ist ein quantenphysikalisches Phänomen, das nicht nur Albert Einsteins Phantasie anregte – er sprach von einer möglichen „spukhaften Fernwirkung“ –, sondern für die Entwicklung von Quantentechnologien eine entscheidende Ressource darstellt. Viele im Labor erforschte Quantenanwendungen beruhen auf dieser Eigenschaft, durch die ein System aus mehreren Teilchen nicht mehr als Kombination unabhängiger Teilchenzustände, sondern nur als gemeinsamer Zustand beschrieben werden kann. Quantenverschränkung ist allerdings nicht einfach nachzuweisen – vor allem, wenn viele Teilchen involviert sind. „Kleine Teilchenensemble können heute im Labor sehr genau kontrolliert werden, und damit lässt sich auch die Verschränkung relativ einfach bestimmen“, sagt der Innsbrucker Quantenphysiker Philipp Hauke. „Sind viele Teilchen miteinander verschränkt, wird eine solche Messung extrem aufwändig bis unmöglich, weil der Aufwand mit der Zahl der Teilchen exponentiell ansteigt.“ Philipp Hauke und Peter Zoller vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun gemeinsam mit Markus Heyl von der Technischen Universität München und Luca Tagliacozzo vom Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona einen neuen Weg gefunden, wie gewisse Aspekte der Vielteilchenverschränkung bestimmt werden können – und dies unabhängig von der Größe des Systems und mittels Standardmessmethoden.
Empfindlichkeit als Maß für Verschränkung
„Bei komplexeren Systemen mussten bisher sehr, sehr viele Messungen durchgeführt werden, um ein Maß für die Verschränkung zwischen vielen Teilchen zu erhalten“, sagt Philipp Hauke. „Unsere Methode umgeht dieses Problem und kann selbst für die Bestimmung von Verschränkung in makroskopischen Objekte angewendet werden, für die es bisher kaum Möglichkeiten gab.“ Die Wissenschaftler können dazu im Labor bereits etablierte Messverfahren verwenden. Dies haben die Theoretiker in der nun in der in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Arbeit an mehreren Beispielen explizit gezeigt. So kann die Verschränkung von vielen, in einem optischen Gitter gefangenen Teilchen mittels Laserspektroskopie gemessen werden. Bei Festkörpern kann dafür die ebenfalls seit langem etablierte Messung der Neutronenstreuung eingesetzt werden. Aus den Messdaten lässt sich nach der Innsbrucker Methode die Quanten-Fisher-Information ermitteln, die als verlässlicher Indikator für die Verschränkung von Vielteilchensystemen gilt. Sie ergibt sich aus der Empfindlichkeit eines dynamischen Systems, die durch den Vergleich einzelner Messungen bestimmt werden kann. „Wenn ich zum Beispiel eine Probe durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld bewege, kann ich aus den Messdaten ermitteln, wie empfindlich diese Probe auf das Magnetfeld reagiert und erhalte über unsere Methode dann ein Maß für die interne Verschränkung“, erklärt Philipp Hauke.
Vielfältige Anwendungen
Quantenmetrologie, also auf quantenmechanischen Eigenschaften basierende Messmethoden, sind ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Methode. Denn nun lassen sich die Quanteneigenschaften makroskopischer Messsonden einfacher charakterisieren. Aber auch für Quantensimulationen, mit der Quanteneigenschaften in physikalischen Systemen nachgebildet werden, ist Verschränkung eine zentrale Ressource. Auch hier eröffnet das Innsbrucker Verfahren neue Perspektiven. Und in der Festkörperphysik könnte es dazu dienen, die Rolle quantenmechanischer Verschränkung bei komplexen Phasenübergängen zu untersuchen.
Finanziell unterstützt wurden diese Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem Europäischen Forschungsrat ERC.
Externer Link: www.uibk.ac.at
Der Grammatik biologischer Zellen auf der Spur
Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.03.2016
Chemiker entwickeln MOSAIC-Methode, um nicht nur einzelne Zellsignale, sondern das räumliche Zusammenwirken unterschiedlicher Signale zu entschlüsseln
Zellen im Körper tauschen eine Vielzahl von Signalen mit ihrer Umgebung aus. Defekte Signalwege können die Funktion von Zellen beeinträchtigen und Krankheiten auslösen. Heutzutage kennt man jedoch kaum mehr als die Vokabeln der zellulären Sprache, nicht aber wie „Worte“ in „Sätzen“ zusammenwirken. Wäre die Zell-Grammatik bekannt, könnte man die komplexen Abläufe in Zellen erst wirklich verstehen. Forscher des KIT haben im Fachmagazin Angewandte Chemie eine Methode vorgestellt, um die Grammatik der Zellsignale zu entschlüsseln. DOI: 10.1002/anie.201509772
„Rezeptoren auf Zellmembranen reagieren auf eine Vielzahl von Signalmolekülen. Diese bilden das Vokabular der Kommunikation“, erklärt Christof Niemeyer vom Institut für Biologische Grenzflächen des KIT. In der Regel werden mehrere, räumlich verteilte Rezeptoren gleichzeitig angesprochen, so wie auch in der menschlichen Sprache mehrere Worte pro Satz genutzt werden. Die genaue Bedeutung des einzelnen Wortes erschließt sich erst im Zusammenspiel aller Satzbausteine. „Mit unserer neuen MOSAIC-Methode können wir nun gezielt nicht nur Vokabeln, sondern ganze Sätze der Zellsprache entschlüsseln.“
Um eine einzelne Zelle mit einem definierten Satz anzusprechen, haben Niemeyer und sein Team zunächst die gewünschten Signalmoleküle mit einer Genauigkeit von 5 Nanometern auf einer Art Stecktafel fixiert, die etwa 100 Nanometer lang ist. Anschließend wurden Dutzende dieser Stecktafeln auf dem Zellträger aufgebracht. Damit ist es nun erstmals möglich, auf einer größeren Fläche viele Moleküle mit Nanometergenauigkeit zu positionieren. „Entscheidend war, dass wir sowohl die Selbstorganisation von Molekülen als auch eine mikroskopische Drucktechnik in der MOSAIC-Methode vereinen konnten“, so Niemeyer.
Die Stecktafeln setzen die Wissenschaftler aus langen DNA-Molekülen nach einem genauen Bauplan zusammen. Das DNA-Molekül faltet sich dann selbstorganisiert zu einer 100 Nanometer langen und 50 Nanometer breiten Platte, welche an den definierten Plätzen die gewünschten Signalmoleküle aufnehmen kann. Auf dem Zellträger werden ebenfalls aus DNA-Stücken die passenden Fundamente für die Stecktafeln gedruckt. Diese spezifischen Fundamente sind wenige Mikrometer im Durchmesser und lassen sich auf einer Fläche bis zu einem Quadratzentimeter aufdrucken. Durch die Wahl der passenden DNA-Sequenzen haften die Stecktafeln in der richtigen Orientierung auf dem richtigen Fundament. Um die Funktionsweise der MOSAIC-Methode (Multiscale Origami Structures as Interfaces for Cells) zu beweisen, haben die Forscher in der ersten Studie gezeigt, dass die Modellzelllinie MCF7 auf unterschiedlich dicht besetzte Stecktafeln unterschiedlich reagiert.
„Viele Krankheiten wie Krebs oder Autoimmun-Erkrankungen lassen sich auf die Fehlfunktion von Rezeptoren und Signalen in Zellen zurückführen. Komplexe Signalwege zu verstehen, legt also die Grundlagen für kommende Therapieansätze und Medikamentenentwicklungen“, betont Niemeyer. (kes)
Publikation:
Multiscale Origami Structures as Interface for Cells (pages 15813–15817), Alessandro Angelin, Simone Weigel, Ruben Garrecht, Dr. Rebecca Meyer, Jens Bauer, Ravi Kapoor Kumar, Dr. Michael Hirtz and Prof. Dr. Christof M. Niemeyer, DOI: 10.1002/anie.201509772
Externer Link: www.kit.edu
Eintopf-Rezept für organische Elektronik
Presseaussendung der TU Wien vom 15.03.2016
An der TU Wien wurde ein neues Verfahren für die Herstellung von Cyanoarenen entwickelt, die eine wichtige Rolle in der organischen Elektronik spielen.
Die meisten Halbleiter, die heute in der Elektronik verwendet werden, basieren auf Silizium, allerdings lassen sich auch bestimmte organische Materialien für elektronische Bauteile nutzen. An der TU Wien gelang es nun, ein einfaches Herstellungsverfahren für Cyanoarene zu entwickeln. Sie bilden eine Materialklasse, die für die organische Elektronik besonders interessant ist. In Zukunft könnte man aus solchen Molekülen Transistoren und andere elektronische Bauteile herstellen. In einem simplen zweistufigen Verfahren, das man in einem einzigen Reaktionsgefäß ablaufen lässt, können die gewünschten Cyanoarene nun aus relativ einfachen, kommerziell erhältlichen Bestandteilen synthetisiert werden.
Breite Palette an organischen Molekülen
Wenn man organische Materialien für elektronische Schaltungen verwendet, hat man es mit einer großen Auswahl an verschiedenen Molekülen zu tun. „Man kann ganz unterschiedliche funktionelle Gruppen an den Molekülen anbringen und damit ihre elektronischen Eigenschafen verändern“, erklärt Florian Glöcklhofer, der in der Forschungsgruppe von Prof. Johannes Fröhlich am Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien an seiner Dissertation arbeitet.
In den letzten Jahren wurden immer wieder Computersimulationen und theoretische Arbeiten über Cyanoarene publiziert. Experimentelle Ergebnisse gibt es aber erst recht wenige, weil viele Moleküle dieser Materialklasse bisher nur sehr schwer oder gar nicht hergestellt werden konnten.
In einer aktuellen Publikation im Fachjournal „Chemistry – A European Journal“ präsentiert das Team der TU Wien nun zahlreiche Ergebnisse, die mit einem neuen, recht einfachen Syntheseverfahren erzielt werden konnten. „Wir haben lange daran gearbeitet, die richtigen Lösungsmittel und Katalysatoren zu finden“, sagt Florian Glöcklhofer. „Auch die Wahl der richtigen Temperatur spielt eine wichtige Rolle.“
Die Eintopfreaktion
Das Besondere an dem neuen Verfahren ist seine Einfachheit: Es besteht zwar aus zwei verschiedenen Reaktionsschritten, die man aber im selben Reaktor ablaufen lassen kann, man spricht in diesem Fall von einer sogenannten „Eintopfreaktion“. Als Ausgangsprodukt verwendet man Chinone – viele unterschiedliche Moleküle dieser Klasse sind heute problemlos kommerziell erhältlich oder können auf recht einfache Weise hergestellt werden, aus denen dann eine breite Palette an Cyanoarenen zugänglich ist.
„Wir konnten zeigen, dass manche Cyanoarene Kristalle bilden, in denen sich die Moleküle im Muster einer Ziegelwand anordnen. Das bedeutet, dass unser Verfahren für die Herstellung von Materialien für organische Feldeffekttransistoren sehr interessant ist“, meint Glöcklhofer. Außerdem sind die Cyanoarene auch für organische Leuchtdioden einsetzbar und fluoreszieren sehr stark.
Nun soll untersucht werden, welche Cyanoarene sich für elektronische Anwendungen besonders gut bewähren – vielversprechende Zielmoleküle gibt es in dieser reichhaltigen Materialklasse jedenfalls genug. (Florian Aigner)
Externer Link: www.tuwien.ac.at