Archiv der Kategorie: Hochschule

Das kleinste Puzzle der Welt

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 08.07.2013

Neues „LIGA2.X“-Verfahren fertigt hochpräzise Kunststoff-Mikrobauteile / Forschung mit dem Großgerät ANKA ermöglicht industriereife Spritzguss-Anwendung

Drei Puzzlestücke von je knapp einem Millimeter Größe fügen sich zum wahrscheinlich kleinsten Puzzle der Welt zusammen. Hergestellt haben es Forscher mit dem neuen Verfahren „LIGA2.X“, dass mikrostrukturierte Guss-Formen mit der Synchrotronstrahlenquelle ANKA am KIT herstellt. Damit gelingt es, kostengünstige Massenfertigung und höchste Präzision auf der Mikroskala zu vereinen, etwa für Bauteile in Uhren, Motoren oder Medizinprodukten. Winzige Spritzgussteile in großen Stückzahlen mit höchster Genauigkeit werden nun möglich.

Mit dem LIGA-Verfahren lassen sich Mikrostrukturen aus verschiedenen Metallen, Keramiken oder Kunststoffen herstellen. Die Abkürzung steht für Lithografie, Galvanik und Abformung. LIGA ermöglicht Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen (Höhe relativ zur geringsten Breite) und bietet viele Möglichkeiten der Formgebung. Das in den 1980er Jahren in Karlsruhe entwickelte Verfahren wird ständig weiterentwickelt. Nun haben Wissenschaftler am KIT eine neue Modifikation des LIGA-Prozesses erarbeitet.

Das LIGA2.X-Verfahren zielt auf die kostengünstige Massenproduktion von Kunststoff-Mikrobauteilen mit einem Volumen von unter 0,5 Kubikmillimetern. Beim Mikrospritzgießen von Teilen dieser Größe bedurfte es bisher einer Substratplatte, welche die Bauteile miteinander verbindet, damit sich diese aus der Form lösen lassen. LIGA2.X macht diese Schicht überflüssig und erlaubt es, die Bauteile direkt und einzeln über das Mikrospritzgießen zu fertigen. Damit erübrigt sich die schwierige, zeit- und kostenaufwendige Trennung der Bauteile von der Substratplatte. „LIGA2.X spart nicht nur Kosten ein, sondern gewährt auch größere Freiheiten bei der Anordnung strukturierter Formnester in Mehrfachformen“, erklärt Jochen Heneka, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und am Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffprozesstechnik (IAM-WPT) des KIT.

Die in LIGA2.X eingesetzten Werkzeuge für das Mikrospritzgießen bestehen aus drei Platten, um die einzelnen Formteile aus der Form zu lösen, und vier LIGA-Formen, welche sich wechselbar in eine Werkzeugplatte einbauen lassen. Durch Auseinanderbewegen der ersten und zweiten Formplatte wird das Bauteil aus der LIGA-Form gelöst, mithilfe der dritten Platte wird der Anguss sauber entfernt. Zur Herstellung der mikrostrukturierten LIGA-Formen mithilfe der Röntgentiefenlithografie nutzten die Wissenschaftler die Synchrotronstrahlenquelle ANKA am Campus Nord des KIT. (or)

Externer Link: www.kit.edu

Solarzellen unter der Lupe

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Presseinformation der LMU München vom 27.06.2013

LMU-Forscher haben eine neue Methode entwickelt, um Materialdefekte von Solarzellen sichtbar zu machen.

LMU-Wissenschaftler um Dr. Bert Nickel haben erstmals das aktive Material von organischen Dünnschicht-Solarzellen unter einer Art Lichtmikroskop mit Hilfe von lokaler Laseranregung untersucht. Darüber berichten sie in der Fachzeitschrift Advanced Materials. „Wir haben eine Technik entwickelt, bei der wir mit einem fokussierten Laserstrahl, den wir unter anderem mit einer rotierenden Blende modulieren, das Material rastern. So können wir die Defektdichte organischer Dünnfilme direkt abbilden, was bisher nicht möglich war“, erklärt Christian Westermeier, Erstautor der Studie.

Solarzellen verwandeln Sonnenenergie in elektrische Energie. Wie lange die durch Licht induzierte Ladung in Solarzellen verbleibt bevor sie an den Elektroden extrahiert wird, hängt von der Beschaffenheit des Materials ab. Defektstellen in der aktiven Schicht können als Fallen für Ladungsträger wirken: Sie ziehen einen Teil des Stroms ab, weil sie die Ladungsträger temporär festhalten. Mit ihrer Messmethode erfassen die Forscher die Änderungen im Stromfluss, die sich durch lokale Anregung der Defektstellen mit Licht ergeben. In der Versuchsanordnung wird ein Rückkontakt als dritte Elektrode verwendet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an dieser Elektrode können die Fallen der Ladungsträger über einen Feldeffekt gezielt gefüllt und entleert werden. Die Frequenzmodulation des Lasers ermöglicht außerdem, die zeitliche Dynamik der Fallenzustände zu erfassen.

Ihre Untersuchung zeigt, dass die Defekte im Material ungleichmäßig verteilt sind, so dass es einige Stellen gibt, an denen sie sich häufen. „Es wäre interessant zu wissen, was an diesen Hot Spots mit der Beschichtung passiert. Die Frage ist, was die Defekte auslöst. Es könnte sich um eine chemische Verunreinigung oder um Störungen in der Anordnung der Moleküle handeln“, sagt Bert Nickel, der auch dem Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) angehört.

Für ihre Untersuchung haben Bert Nickel und seine Kollegen das organische Molekül Pentacen ausgewählt, das bestleitende Material, das es zurzeit für die Herstellung von organischen Halbleiterelementen gibt. Sie untersuchten zunächst eine Dünnschicht bestehend aus einem Halbleitermaterial für Elektronenlöcher. In einem weiteren Schritt wollen sie nun die Defekte einer vollständigen Solarzelle abbilden, die aus einer Loch leitenden und einer Elektronen leitenden Schicht besteht. (nh)

Publikation:
Advanced Materials, 25. Juni 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Neue Methode im Bereich der nicht-invasiven Hirnforschung entwickelt

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 21.06.2013

Tübinger Forscher messen Hirnaktivität auf elektrische Stimulation ohne Umwege – Neue Impulse für die Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen

Elektrische Ströme werden seit vielen Jahrzehnten in der Behandlung neurologischer sowie psychiatrischer Erkrankungen erfolgreich eingesetzt. Doch bisher war unklar, was während einer solchen Neurostimulation im Gehirn passiert. Stimulationsabhängige Interferenzen verhinderten die zuverlässige Aufzeichnung der hirneigenen elektrischen Aktivität. An der Universität Tübingen ist es Neurowissenschaftlern nun erstmals gelungen, die neuromagnetische Hirnaktivität im Millisekundenbereich zu messen, während das Gehirn eines menschlichen Probanden mit elektrischen Strömen stimuliert wurde. Dr. Surjo R. Soekadar, Neurowissenschaftler am Universitätsklinikum Tübingen und Erstautor der Studie, will die neue Methode nun zur Weiterentwicklung etablierter Neurostimulationsverfahren einsetzen. So sollen neue Ansätze in der Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen wie Schlaganfall, Depressionen oder chronischen Schmerzen genutzt werden. Die im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen der Universität Tübingen und den National Institutes of Health (NIH) in den USA entwickelte Methode wurde nun in dem Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Im Gegensatz zu früheren Untersuchungsmethoden, bei denen lediglich der Sauerstoffverbrauch oder die Durchblutung des Gehirns während einer elektrischen Hirnstimulation gemessen werden konnte, gibt die neue Methode nun über die direkten Wirkungen der Stimulation auf die elektrische Aktivität des Gehirns Aufschluss. Erreicht wird dies durch die Kombination spezieller mathematischer Algorithmen, die beispielsweise auch in der Sonartechnik oder bei Freisprechanlagen verwendet werden, mit speziellen Stimulationselektroden, die von den neuromagnetischen Feldern des Gehirns ungestört durchdrungen werden können. Dadurch wird es nun möglich, zahlreiche grundlagenwissenschaftliche Fragen zur Funktionsweise des Gehirns zu klären. So ist beispielsweise die Rolle hirnelektrischer Oszillationen seit ihrer Entdeckung in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts noch weitgehend ungeklärt. Zwar wurde schon früh eine Verbindung zwischen krankheitsspezifischem Verhalten und der Veränderung hirnelektrischer Oszillationen vermutet, der genaue Zusammenhang blieb jedoch weitgehend im Dunkeln. Die neue Methode verspricht hier wichtige Erkenntnisse. Zudem kann die elektrische Stimulation nun unmittelbar auf die individuelle Aktivität des Gehirns abgestimmt oder simultan mit einer sogenannten Gehirn-Computer-Schnittstelle oder einem Neurofeedback-System kombiniert werden. Die Forscher erwarten, dass die neuen Erkenntnisse für die Behandlung neuropsychiatrischer Erkrankungen von großem Nutzen sein werden.

Originalveröffentlichung:
Surjo R. Soekadar, Matthias Witkowski, Eliana G. Cossio, Niels Birbaumer, Stephen E. Robinson & Leonardo G. Cohen: „In vivo assessment of human brain oscillations during application of transcra-nial electric currents“. Nature Communications (2013). DOI: 10.1038/ncomms3032

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Tanz der Atome

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Presseaussendung der TU Wien vom 10.06.2013

Katalysatoren können ihre Wirkung verlieren, wenn die aktiven Atome auf der Oberfläche zu wandern beginnen. An der TU Wien konnte man diesen Tanz der Atome nun beobachten und erklären.

Wer alleine an der Tanzfläche steht, bewegt sich kaum. Erst wenn man den richtigen Tanzpartner findet, beginnt eine rasche Bewegung. Ähnlich verhalten sich Atome auf Eisenoxid-Oberflächen: Nur mit dem richtigen molekularen Partner starten sie einen rasanten Tanz. Das kann allerdings dazu führen, dass sie am Ende verklumpen – ein Effekt, der bei Katalysatoren großen Schaden anrichtet. An der TU Wien gelang es, die einzelnen Atome dabei zu filmen und so zu beweisen, dass Kohlenmonoxid als Partner für die rasche Bewegung und den gefürchteten Verklumpungseffekt verantwortlich ist. Die Ergebnisse wurden nun im renommierten Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.

Klumpen sind Materialverschwendung

„Metalle wie Gold oder Palladium werden oft als Katalysatoren eingesetzt um verschiedene chemische Reaktionen zu beschleunigen“, erklärt Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. Wenn sich die Metallatome verklumpen, kommen die meisten von ihnen nicht mehr in Kontakt mit dem umgebenden Gas und der Katalysator-Effekt wird viel geringer. Daher untersucht Ulrike Diebolds Arbeitsgruppe, wie es bei Atomen auf einer Oberfläche zu diesem Verklumpen kommt und wie man es verhindern kann.

Theorien dazu gab es schon bisher – doch an der TU Wien gelang es nun erstmals, den Atomen tatsächlich beim Verklumpen zuzusehen. „Wir verwenden Palladium-Atome auf einer extrem sauberen Eisenoxid-Oberflächen in einem Ultrahochvakuum, wo wir dann die Atome mit einem Rastertunnelmikroskop einige Stunden lang immer wieder abbilden“, erklärt Gareth Parkinson (TU Wien). Aus diesen Bildern entsteht schließlich ein Film, in dem man den Weg der einzelnen Atome nachverfolgen kann.

Der Sky-Hook-Effekt

Auf diese Weise konnte das Forschungsteam klären, wer die Tanzpartner sind, die einzelne, still herumsitzende Palladium-Atome von ihrem Platz lösen: Es sind Kohlenmonoxid-Moleküle, die sich mit einem einzelnen Palladium-Atom verbinden. Sobald das geschieht, ist das Palladium kaum noch an den Untergrund gebunden, so als wäre es vom Kohlenmonoxid ein Stück nach oben gehoben worden. „Das nennt man den Sky-Hook-Effekt“, sagt Zbynek Novotny (TU Wien).

Kohlenmonoxid und Palladium tanzen gemeinsam blitzschnell über den Boden, bis sie mit einem anderen Palladium-Atom kollidieren. Dann bleiben die Palladium-Atome aneinander haften, nach und nach können so Cluster aus vielen Atomen wachsen.

Hydroxidgruppen gegen Verklumpung?

Nachdem es jetzt möglich ist, die Mechanismen der Katalysator-Verklumpung in Echtzeit unter dem Mikroskop zu beobachten, lassen sich diese Effekte nun ganz systematisch untersuchen: „Wir konnten feststellen, dass OH-Gruppen auf der Oberfläche den Effekt unterdrücken“, sagt Gareth Parkinson. Trifft das Palladium mit der Kohlenmonoxid-Gruppe auf seinem Tanz nicht auf ein anderes Palladium-Atom, sondern auf eine OH-Gruppe, dann bleibt es an dieser Stelle kleben und kann auch nicht mehr abgelöst werden. Möglicherweise könnte eine Beschichtung mit OH-Gruppen also eine Verbesserung von Katalysatoren möglich machen. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Physiker nutzen winzige Diamanten als Lichtquelle

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 17.06.2013

Moderne Kommunikationstechnologie basiert darauf, dass Lichtimpulse durch Glasfaserkabel übertragen werden. An die Stelle von Lichtimpulsen, die aus „Bündeln“ von Lichtteilchen bestehen, sollen in Zukunft einzelne Lichtteilchen als Informationsträger treten – was unter anderem eine vollständig abhörsichere Datenübertragung in der Quantenkommunikation ermöglicht. Derzeit arbeiten Forscher an alltagstauglichen Lichtquellen, die einzelne Photonen emittieren. Physiker um Professor Christoph Becher von der Saar-Uni nutzen hierfür Nanodiamanten und haarfeine Glasfasern. In einer neuen Studie, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, stellen sie den Aufbau dieser Lichtquelle vor.

Winzig klein sind die Diamanten, die die Saarbrücker Forscher für ihre Experimente verwenden: weniger als 100 Nanometer groß – das entspricht etwa einem Tausendstel eines Haardurchmessers. Und dabei haben es die Physiker nicht auf die lupenreinen, sondern auf die verunreinigten Edelsteine abgesehen. „Für unsere Arbeiten brauchen wir Diamanten, die einen speziellen Einschluss, genauer gesagt, einen Defekt aufweisen“, erklärt Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Dieser besteht aus einem Stickstoffatom und einer angrenzenden Leerstelle in der Gitterstruktur des Diamanten. Er wird auch Farbzentrum genannt.“ Bestrahlt man die Nanodiamanten nun mit einem Laser, beginnen die Farbzentren Licht auszusenden – ebenso wie es Atome tun. „Dieses Licht verhält sich so, als ob es von einem einzelnen Atom stammen würde und besteht aus der gewünschten Abfolge einzelner Lichtteilchen“, sagt Becher weiter.

Die Saarbrücker Physiker haben diese in Forscherkreisen bekannte Lichtquelle nun weiterentwickelt. Hierfür haben sie einen Nanodiamanten zwischen zwei Spiegeln platziert. Die beiden sich gegenüber liegenden Spiegel bilden einen Lichtspeicher, in dem das Licht über 1.000 Mal hin- und herreflektiert wird, bevor es durch einen der Spiegel entweichen kann. „Die intensive Wechselwirkung des gespeicherten Lichts mit dem Farbzentrum im Nanodiamanten führt dazu, dass einzelne Lichtteilchen mit genau definierten Eigenschaften und mit hoher Effizienz ausgesandt werden. In gewissen Grenzen kann man sich dabei auch die Farbe des Lichtes aussuchen“, berichtet der Physik-Professor. Je kleiner die Spiegel sind, und umso geringer ihr Abstand, desto intensiver ist die Wechselwirkung im Lichtspeicher und desto besser lassen sich die Eigenschaften der einzelnen Lichtteilchen kontrollieren.

Das Besondere beim Versuchsaufbau der Saarbrücker Physiker ist die Anordnung der Spiegel: Einer der Spiegel sitzt direkt auf der Spitze einer haardünnen Glasfaser. „Die einzelnen Lichtteilchen werden auf diese Weise direkt in eine Faser ausgesandt – also dorthin, wo man sie für die Datenübertragung gerne haben möchte“, erklärt Roland Albrecht, Doktorand bei Professor Becher. „Zudem liegt der Vorteil unseres Aufbaus darin, dass er bei Raumtemperatur und ohne großen Apparateaufwand funktioniert. Er bietet somit Potential, ihn praktisch einzusetzen.“

Im nächsten Schritt möchten die Saarbrücker Forscher die Spiegel weiter verkleinern, sodass möglichst alle ausgesandten Lichtteilchen in der Glasfaser gesammelt werden können. Ferner versuchen sie den Nanodiamanten und die Glasfaser-Lichtspeicher auf Temperaturen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt abzukühlen. „Dann verändern sich die Eigenschaften des Systems so, dass Quanteninformation zwischen dem Farbzentrum im Diamanten und den einzelnen Lichtteilchen ausgetauscht werden kann – die Schnittstelle für einen zukünftigen Quantencomputer oder die Übertragung von Quanteninformation über lange Strecken“, erklärt Becher.

Die Arbeit der Saarbrücker Wissenschaftler ist unter anderem im Rahmen des Verbundprojekts QuOReP (Quanten-Repeater-Plattform mit Methoden der Quantenoptik), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird, entstanden. Die winzigen Spiegel für den Versuchsaufbau wurden in Zusammenarbeit mit Professor Jakob Reichel an der École normale supérieure in Paris hergestellt.

Die Studie „Coupling of a single NV-center in diamond to a fiber-based microcavity“ wurde in Physical Review Letters veröffentlicht. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.243602

Externer Link: www.uni-saarland.de