Archiv der Kategorie: Hochschule

Entwässern mit Blaulicht

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Presseinformation der LMU München vom 21.07.2014

LMU-Wissenschaftlern ist es gelungen, das Entwässerungsmittel Amilorid mit einem Lichtschalter auszustatten, der durch blaues Licht aktiviert wird. Die neue Methode erlaubt es erstmals, die Funktion bestimmter Natriumkanäle mit Licht zu steuern.

Entwässerungsmittel – sogenannte Diuretika – werden in der Medizin häufig eingesetzt, etwa zur Behandlung von Herzschwäche und Bluthochdruck. Ein bekanntes Diuretikum ist Amilorid, das auf sogenannte Epitheliale Natriumkanäle (ENaCs) wirkt. ENaCs sind Natriumkanäle in der Zellmembran, die in verschiedenen Epithelgeweben den Wassertransport regulieren, aber auch im zentralen Nervensystem vorkommen, wo deren Funktion bislang unbekannt ist. Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU, ist es mit seinem Team und Kollegen der Justus Liebig Universität Gießen nun gelungen, Amilorid mit einem Photoschalter zu versehen, der neue Einblicke in die Funktion dieser Kanäle erlaubt.

„Wenn das chemisch modifizierte Amilorid an einen ENaC andockt, können wir den ursprünglich blinden Kanal durch Lichtreize gezielt steuern“, sagt Matthias Schönberger, der Erstautor der im Journal Nature Chemistry veröffentlichten neuen Studie. Blaues Licht aktiviert das Photoamilorid, sodass der ENaC blockiert wird. Durch Ausschalten des Lichtes oder durch Bestrahlung mit grünem Licht wird das Molekül wieder deaktiviert, sodass der Kanal geöffnet ist und Natrium-Ionen in die Zelle strömen können. Auf diese Weise kann der Kanal beliebig oft geöffnet und geschlossen werden.

Verschiedene Kanäle gezielt ansprechbar

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass das neue Photoamilorid sowohl in amphibischen Zellen als auch in menschlichen embryonalen Nierenzellen und einem Zellmodell für das menschliche Lungenepithel funktioniert. Dabei stellte sich heraus, dass der neuen Wirkstoff besonders auf eine bestimmte ENaC-Variante wirkt, die sich je aus einer delta-, beta-, und gamma-Untereinheit zusammensetzt. Gerade diese Variante konnte bisher mangels geeigneter Methoden nur unzureichend untersucht werden. „Wir haben nun erstmals ein Werkzeug zur Verfügung, welches uns ermöglicht, gezielt diese Kanalvariante zu erforschen“, erklärt Schönberger.

Derzeit wird spekuliert, dass Delta-ENaCs möglicherweise bei neuronalen Krankheiten eine Rolle spielen, indem sie zu viele Natriumionen in die Zelle strömen lassen, sodass die Neuronen unkontrolliert feuern. „Das ist aber alles noch sehr hypothetisch. Vor allem weil Delta-ENaCs nur bei Primaten vorkommen, was ihre Untersuchung generell, aber vor allem im Gehirn erschwert. Deshalb sind wir sehr froh, dieses erste selektive Tool zu haben“, sagt Schönberger.

Das neue Photoamilorid hat sich somit als nützliches Werkzeug erwiesen, um ENaCs erstmal mit Licht zu steuern und gezielt verschiedene ENaC-Varianten anzusprechen. Somit könnte es dazu beitragen, deren Rolle in unterschiedlichen Geweben – etwa im Gehirn – aufzuklären. „Darüber hinaus könnte unser Photoamilorid/ENaC-System genutzt werden, um Zellen über die Steuerung des Natriumflusses gezielt zu polarisieren, d.h. ihre elektrische Ladung zu beeinflussen. Auf dieser Basis ließen sich zum einen optische Screening-Plattformen für spannungsgesteuerte Ionenkanäle entwickeln. Zum anderen bietet die Methode neue Möglichkeiten, die auf Zellpolarisation beruhende zelluläre Kommunikation zu untersuchen“, schließt Trauner. (göd)

Publikation:
Nature Chemistry 2014

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wie Wellen im Elektronensee entstehen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 21.07.2014

Forscher lösen altes Rätsel der Festkörperphysik

Ein Team von europäischen Forschern unter der Leitung von Physikern der Universität Regensburg hat das ultraschnelle Zusammenspiel von Elektronen und Kristallgitterstrukturen von Festkörpern untersucht. Sie konnten dabei ein vierzig Jahre altes Rätsel der Festkörperphysik lösen. Die Studie ist jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ erschienen (DOI: 10.1038/nmat4042).

Ordnung ist das halbe Leben. Dies gilt besonders für Festkörper, in denen oft spontane Ordnungsphänomene auftreten. Eines der faszinierendsten ist die Supraleitung. Nahe am absoluten Temperaturnullpunkt verbinden sich hier Elektronen spontan zu Paaren, die elektrischen Strom verlustfrei transportieren können. Um diese einzigartige Eigenschaft für die Stromtrassen der Zukunft nutzen zu können, muss man aber die treibenden Kräfte dieses Quanteneffekts genau verstehen. Titandiselenid ist dabei ein besonders genau untersuchtes Modellsystem. Neben der Supraleitfähigkeit tritt hier ein eng verwandtes Ordnungsphänomen auf: eine Ladungsdichtewelle. Während die Elektronenpaare in Supraleitern einen See von widerstandslos verschiebbaren Teilchen bilden, ist die Ladungsdichtewelle wie eine riesige Welle im Elektronensee. Nach bisherigem Wissensstand konkurrieren die beiden Phänomene miteinander.

Ziel des europäischen Forscherteams war es, zunächst zu verstehen, weshalb die Ladungsdichtewelle in Titandiselenid auftritt, um so dem Wechselspiel mit der Supraleitung auf die Spur zu kommen. In ihrem Experiment regten die Wissenschaftler um Prof. Dr. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik die Ladungsdichtewelle in einem wenige Atomlagen dünnen Film von Titandiselenid mit Hilfe eines ultrakurzen Lichtblitzes von einer Zeitdauer von nur wenigen Femtosekunden an. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Millardstel Sekunde. Mit einem nachfolgenden Lichtimpuls im Terahertz-Spektralbereich konnten die Physiker dann eine Art superschnellen Zeitlupenfilm davon anfertigen, wie die Ladungsdichtewelle gestört wird und sich anschließend wieder neu aufbaut. Das Besondere war dabei, dass die Terahertz-Impulse erstmals sowohl die Wellenordnung der Elektronen als auch die damit verbundene leichte Verzerrung des Kristallgitters beobachten konnten.

Überraschenderweise reagieren die beiden Komponenten auf Bestrahlung mit einem Femtosekunden-Laserimpuls höchst unterschiedlich. Während die elektronische Ordnung durch den Laserimpuls vollkommen zerstört werden kann, zeigt sich die Verzerrung des Kristallgitters deutlich robuster gegen optisches Störfeuer. Die Femtosekunden-Zeitlupe zeigt erstmals eindeutig, dass die Wellen im Elektronensee von Titandiselenid durch ein kooperatives Zusammenspiel des Kristallgitters mit den Elektronen verursacht werden. Dieses Bild wird auch durch eine quantenmechanische Theorie gestützt.

Die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der Universitäten Regensburg, Ilmenau, Kiel, Bielefeld und Heraklion konnte somit ein etwa vierzig Jahre altes Geheimnis der Festkörperphysik lüften. Auch die neue Methode, in superschnellen Zeitlupenfilmen gleich mehrere Ordnungen und deren Dynamik zu beobachten, dürfte entscheidend für ein besseres Verständnis der Supraleitung und vieler anderer überraschender Ordnungsphänomene in Festkörpern werden. (Alexander Schlaak)

Originalpublikation:
M. Porer, U. Leierseder, J.-M. Ménard, H. Dachraoui, L. Mouchliadis, I. E. Perakis, U. Heinzmann, J. Demsar, K. Rossnagel, and R. Huber, „Non-thermal separation of electronic and structural orders in a persisting charge density wave“, Nature Materials (2014)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Kleinstes Schweizer Kreuz – gebaut aus 20 Atomen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 15.07.2014

Die Atom-Positionierung hat ein neues Level erreicht: Zusammen mit Forschungsteams aus Finnland und Japan gelang es Physikern der Universität Basel, einzelne Atome auf einer elektrisch isolierenden Oberfläche bei Raumtemperatur zu positionieren. Die Forscher formten dabei das wohl kleinste Schweizer Kreuz und haben damit einen wichtigen Schritt in Richtung einer neuen Generation atomarer Speichermedien gemacht. Die Fachzeitschrift «Nature Communications» hat ihre Resultate veröffentlicht.

Seit den 1990er Jahren können Physiker direkten Einfluss auf Oberflächenstrukturen nehmen, indem sie einzelne Atome gezielt bewegen und positionieren. Eine Anzahl von Atom-Positionierungen konnten in der Vergangenheit auf leitenden oder halbleitenden Oberflächen hauptsächlich bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt werden. Dennoch stellt die Herstellung von künstlichen Strukturen auf Isolatoren bei Raumtemperatur bis heute eine grosse Herausforderung dar. Frühere Versuche stellten sich als unkontrollierbar heraus und lieferten nicht die gewünschten Resultate.

Einem internationalen Team um die Forscher Shigeki Kawai und Ernst Meyer vom Departement Physik der Universität Basel gelang nun zum ersten Mal eine systematische Atom-Manipulation auf einer isolierenden Oberfläche bei Raumtemperatur durchzuführen. Mit Hilfe der Spitze eines Rasterkraftmikroskops konnten sie einzelne Brom-Atome auf einer Natriumchlorid-Oberfläche bewegen und so ein Schweizer Kreuz formen. Das winzige Kreuz besteht aus 20 Brom-Atomen und entstand durch den Austausch von Chlor- mit Brom-Atomen. Es misst gerade mal 5.6 Nanometer im Quadrat und stellt damit die bisher grösste Anzahl erfolgreicher Atom-Manipulationen bei Raumtemperatur dar.

Neue Speichermethoden

Mit Hilfe von Computersimulationen und theoretischen Berechnungen konnten die Wissenschaftler neue Manipulationsmechanismen zur Herstellung von einzigartigen atomaren Strukturen identifizieren. Die Studie zeigt demnach, wie systematische Atom-Manipulation bei Raumtemperatur möglich ist und stellt damit einen wichtigen Schritt dar in Richtung der Herstellung einer neuen Generation von elektromechanischen Systemen, Speichermedien und Logikschaltkreisen.

Originalbeitrag:
Shigeki Kawai, Adam S. Foster, Filippo Federici Canova, Hiroshi Onodera, Shin-ichi Kitamura, and Ernst Meyer
Atom manipulation on an insulating surface at room temperature
Nature Communications | doi: 10.1038/ncomms5403

Externer Link: www.unibas.ch

Mikro-Sensoren überwachen Flüssigkeitseigenschaften

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Presseaussendung der TU Wien vom 07.07.2014

Winzige Mikrostrukturen schützen große hydraulische Maschinen. An der TU Wien wurden piezoelektrische Sensoren entwickelt, mit denen sich die Eigenschaften von Flüssigkeiten messen lassen.

Wenn Öl altert und seine Eigenschaften verändert, ist das für viele Maschinen ein Problem. An der TU Wien wurden nun Sensoren entwickelt, mit denen man jederzeit den Zustand des Öls messen kann. Sie funktionieren mit Hilfe eines winzigen Aluminiumnitrid-Balkens in Mikrometergröße, der zum Schwingen angeregt wird. Aus dem Widerstand, den das Öl dieser Schwingung entgegensetzt, kann der Zustand des Öls ermittelt werden.

Teure Wartungsarbeiten verhindern

Um die Qualität von Maschinenöl zu messen, werden heute oft aufwändig Proben gezogen und im Labor untersucht. Wenn große Spezialhydraulikmaschinen aus diesem Grund tagelang nicht verwendet werden können, kostet das viel Geld. „Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, einen Mikro-Sensor zu entwickeln, der direkt in der Maschine Dichte und Viskosität des Öls messen kann und somit jederzeit Auskunft über den Alterungszustand des Öls gibt“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Sein Team arbeitete bei dem Projekt mit dem Exzellenzzentrum für Tribologie AC2T in Wiener Neustadt zusammen.

Schwingende Mikro-Balken

Das Herzstück des neuen Sensors ist ein winziger Balken aus Silizium, mit einer Oberfläche aus Aluminiumnitrid und einer Größe von ca. 2500×1300 µm. Seine Schwingungseigenschaften hängen stark von der umgebenden Flüssigkeit ab und können sehr präzise gemessen werden.

Auch bei Rasterkraftmikroskopen macht man sich Schwingungen ähnlicher Balken zu Nutze: Dort muss die Schwingung allerdings mit einem Laserstrahl ausgelesen werden. Das wäre für einen Öl-Test-Chip jedoch viel zu aufwändig.

Das Team der TU Wien entwickelte eine rein elektronische Lösung. Die verwendete Aluminiumnitrid-Schicht ist piezoelektrisch. Es kann durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zum Schwingen angeregt werden. „Wenn der Balken schwingt und sich verformt, dann entstehen an der Oberfläche freie elektrische Ladungsträger und die Leitfähigkeit ändert sich“, erklärt Martin Kucera, Dissertant von Prof. Schmid. Die Schwingung kann also sowohl elektronisch angeregt als auch elektronisch ausgelesen werden.

Entscheidend war die Entwicklung einer speziellen elektronischen Schaltung: Das Messsignal wird auf das Eingangssignal zurückgeführt, diese Rückkoppelungsschleife ermöglicht eine sehr genaue Messung der Resonanzeigenschaften des Balkens. Dabei war eine effiziente Rauschfilterung nötig, damit nur das gewünschte Signal verstärkt wird, nicht aber ein störendes Zufallsrauschen.

Resonanzeffekte für Präzisions-Messungen

Resonanzphänomene kennt man aus vielen technischen Bereichen – etwa das Rütteln der Waschmaschine, bei einer bestimmten Umdrehungszahl. Die Resonanzfrequenz der Waschmaschine hängt davon ab, mit wie viel Wäsche sie beladen ist, das Resonanzverhalten des Aluminiumnitrid-Balkens wird von der Temperatur, der Dichte und der Viskosität der umgebenden Flüssigkeit beeinflusst.

Ein großer Vorteil der neuen Messmethode ist, dass sie sich gut in bereits verwendete Systeme einbauen lässt. Aluminiumnitrid ist ein Standardmaterial, das heute in jeder Halbleiterfabrik sehr einfach eingesetzt werden kann. Die verwendete Elektronik lässt sich problemlos miniaturisieren, zum Anregen der Schwingung braucht es keine aufwändigen technischen Vorrichtungen. Man kann deshalb das Messsystem kompakt ohne Schwierigkeiten in einen Multifunktions-Chip einbauen, der auch noch andere wichtige Daten in der Maschine misst.

Eine bereits zum Patent angemeldete, spezielle Ausführungsform dieser Forschungsergebnisse kann besonders vorteilhaft bei großen und teuren Maschinen angewendet werden. (Florian Aigner)

Originalpublikationen:
Applied Physics Letters
Sensors and Actuators B

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Radfahren am Rechner lernen: Uni Kassel entwickelt 3D-Videospiel für Verkehrserziehung

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 11.07.2014

Lehrkräfte können für die Verkehrserziehung in Zukunft einen virtuellen Fahrradparcours zusammenstellen. Möglich macht das ein neues 3D-Videospiel, das das Fachgebiet Technische Informatik der Uni Kassel entwickelt hat. Interessierte Lehrkräfte können den Simulator kostenfrei testen.

Wissenschaftler der Uni Kassel haben ein 3D PC-Spiel zur Verkehrserziehung an Schulen programmiert. Der Simulator RMS Fahrradwelt soll Lehrkräfte dabei unterstützen, komplexe Verkehrssituationen nachzustellen. „Schülerinnen und Schüler zwischen acht und zwölf Jahren können so ihre Fahrradkenntnisse überprüfen und beispielsweise Vorfahrtsregeln einüben“, sagte Yasser Jaffal, Wissenschaftler des Fachgebiets.

Das RMS-Projekt (Radfahren mit Multimedia-Software) besteht aus drei Teilen: einem Szene-Editor, dem Spiel und der Ereignisanzeige. Zunächst gestalten die Lehrer mit Hilfe des Editors eine virtuelle Umgebung, in der sie Straßen zeichnen, Verkehrsschilder aufstellen oder Gebäude hinzufügen können. Nachdem die Karte in eine Datenbank geladen und mit einem Zugangscode versehen wurde, sind die Schülerinnen und Schüler an der Reihe: Sie verbinden sich mit dem Internet, laden das Spiel herunter und können dann den virtuellen Parcours mit dem Fahrrad durchfahren. Ziel des Spiels ist es, die verschiedenen Szenarien unter Einhaltung der Verkehrsregeln erfolgreich abzuschließen. Das Programm zeichnet dabei die einzelnen Aktionen während des Spiels auf. Dies ermöglicht es dem Lehrer, das Verhalten der Schüler im Spiel zu überprüfen, zu bewerten und gemeinsam zu besprechen.

So lernen die Schülerinnen und Schüler auf spielerische Art und Weise wichtige Verkehrsregeln, die sie zugleich auf den realen Straßenverkehr übertragen können. „Wir hoffen, dass die Software möglichst viel im Schulunterricht zum Einsatz kommt. Das Spiel kann die Praxis zwar nicht ersetzen, aber sie kann die jungen Schüler auf die Realität im Straßenverkehr vorbereiten, so dass sich die Zahl der Unfälle verringert“, sagte Prof. Dr.-Ing. Dieter Wloka, Leiter des Fachgebiets Technische Informatik.

Das Projekt steht im Zusammenhang mit dem Promotionsvorhaben von Herrn Yasser Jaffal mit dem Thema: „Unsupervised Traffic Education for Children using Serious Games“. Hierzu werden anonymisiert Nutzerdaten erhoben. Nähere Details sind auf der Homepage zu finden. Interessierte Lehrerinnen und Lehrer können sich auf der Website des Fachgebiets registrieren und eine kostenlose Version des Spiels herunterladen.

Externer Link: www.uni-kassel.de