Archiv der Kategorie: Hochschule

Neues Kapitel in der Optik

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Presseinformation der LMU München vom 11.05.2012

Gammastrahlen lassen tief blicken

Und sie beugen sich doch: Entgegen einer jahrzehntealten Grundannahme der Physik können Gammastrahlen mit Linsen auf ein Ziel fokussiert werden. Die Entdeckung könnte zahlreiche Anwendungen ermöglichen – vom  Monitoring von Atommüll bis zur Krebstherapie.

Gammastrahlen sind extrem energiereiche elektromagnetische Wellen weit oberhalb des sichtbaren Spektrums von Licht. Physiker gingen bisher davon aus, dass diese Strahlung nicht mit Linsen  abgelenkt und daher nicht für optische Zwecke genutzt werden kann. Im Vergleich dazu wurde für Röntgenstrahlung Mitte der 1990er Jahre gezeigt, dass eine „Röntgenoptik“ möglich ist.

Wissenschaftler um den Physiker Professor Dieter Habs von der LMU und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching konnten bei Experimenten am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble nun aber überraschend zeigen, dass  sich Gammastrahlen durch Silizium-Linsen wie herkömmliches Licht fokussieren lassen. Möglich wird dies durch das extrem starke elektrische Feld der Silizium-Atome, das mit den Gammastrahlen wechselwirken kann.

Mehr Ablenkung durch goldene Linsen

„Unsere Entdeckung eröffnet der Optik ganz neue Dimensionen“, sagt Habs. „Wir haben quasi eine Brille gefunden, mit der Gammastrahlung für vielfältige Anwendungen einsetzbar wird“. Gamma-Detektoren für besonders präzise Materialuntersuchungen sind hier nur ein Beispiel: „Gammastrahlen haben zehn bis tausend Mal mehr Energie als Röntgenstrahlen und durchdringen auch dicke Materialien. Sogar aus größeren Entfernungen könnte jedes Atom einzeln angesprochen werden – wichtig etwa für den Nachweis von radioaktivem Material“, betont der Kernphysiker.

Auch in der Medizin sieht Habs ein künftiges Anwendungsgebiet: So könnte etwa  in der Krebstherapie der Verbleib von Chemotherapeutika im Körper genau beobachtet und die Dosierung besser angepasst werden. Bisher ist die Ablenkung der Gammastrahlen durch die Linsen noch relativ gering. Deshalb will Habs mit seinem Team in Zukunft Goldlinsen einsetzen. Die Wissenschaftler erwarten hier eine stärkere Beugung der Strahlen, weil  Goldatome ein stärkeres elektrisches Feld als Silizium erzeugen. Erste Versuche wird Habs‘ Team im Sommer durchführen. (göd)

Veröffentlichung:
Physical Review Letters, 1.5.2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Nachhaltige Solarzellen aus häufigen Metallen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.05.2012

Nach Fukushima wird die Notwendigkeit von Alternativen zur Kernenergie immer deutlicher. Viele Technologien werden gegenwärtig intensiv erforscht, wobei oft vernachlässigt wird, wie nachhaltig die verwendeten Materialien sind. Ein Prozess jedoch, der auf teuren und seltenen Rohstoffen basiert, wird sich in der Massenproduktion kaum durchsetzen. Chemiker der Universität Basel beschreiben nun in der angesehenen Fachzeitschrift «Chemical Communications» einen wegweisenden Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der Basis von Zink – eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.

Farbstoff-Solarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) bestehen aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Dieser Farbstoff absorbiert Sonnenlicht und überträgt Elektronen an den Halbleiter, wodurch ein Stromfluss entsteht. Den Forschern Nik Hostettler und Ewald Schönhofer aus der Gruppe der Professoren Edwin Constable und Catherine Housecroft an der Universität Basel sind nun zwei Durchbrüche gelungen: Erstens haben sie eine neue Strategie zur Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikeln entwickelt und zweitens konnten sie erstmals zeigen, dass dazu einfache Verbindungen des reichlich verfügbaren Metalls Zink verwendet werden können. Laut der Projektleiterin Dr. Biljana Bozic war entscheidend, ein Verfahren für die gleichzeitige Synthese des Farbstoffs und dessen Verankerung auf der Halbleiteroberfläche zu entwickeln.

Bunte Farbstoffe aus grauem Zink

Die Entdeckung, dass Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden können, war äusserst unerwartet. Laut Prof. Edwin Constable wird Zink von den meisten Chemikern als eher «langweiliges» Element angesehen, da die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten er und sein Team organische Verbindungen entdeckt, die an Zink gebundenneuartige, intensiv-farbige Materialien bilden. Obwohl die mit farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen noch nicht besonders effizient arbeiten, öffnet diese Beobachtung den Weg für eine neue Generation von Solarzellen, die mit bisher unberücksichtigten Farbstoffen arbeiten.

Herkömmliche Farbstoff-Solarzellen verwenden Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium. Ruthenium ist ein sehr seltenes Metall und mit rund 3’500 Franken (2990 Euro) pro Kilogramm entsprechend teuer. Kürzlich demonstrierte das Basler Forscherteam die Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus dem reichlich vorkommenden und relativ günstigen Kupfer (7,5 Fr./6,3 Euro pro Kilogramm). Durch die Verwendung von billigem Zink (1,8 Fr./1,5 Euro pro Kilogramm) erhöht sich die Nachhaltigkeit der Technologie zusätzlich. «Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung unseres Traums, Photovoltaik und Beleuchtung in intelligenten Vorhängen zu verbinden, die tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts als Beleuchtungselemente dienen», so Ed Constable. «Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms „Light-In, Light-Out“, das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird.»

Originalbeitrag:
Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Nik Hostettler, Catherine E. Housecroft, Ralf Schmitt and Ewald Schönhofer
The d10 route to Q1 dye-sensitized solar cells: step-wise assembly of zinc(II) photosensitizers on TiO2 surfaces
Chemical Communications (2012) | doi: 10.1039/c2cc31729j

Externer Link: www.unibas.ch

Neues Material, entworfen am Computer

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.05.2012

Auf Materialien mit bemerkenswerten Eigenschaften stieß man bei Computersimulationen an der TU Wien. Spezielle Kristalle könnten neuartige optische Anwendungen ermöglichen.

Welche Eigenschaften ein Material hat, lässt sich heute am Computer berechnen, noch bevor es überhaupt physisch hergestellt wird. An der TU Wien wurde bei solchen Computersimulationen nun eine neue Klasse von exotischen Materialien gefunden. Sie sind magnetisch, leiten aber keinen elektrischen Strom. Interessant sind solche Materialien auch deshalb, weil ihre elektronische Struktur von außen durch ein Magnetfeld manipuliert werden kann – so könnte man möglicherweise Linsen bauen, deren Brechungsindex durch ein Magnetfeld stufenlos steuerbar ist.

Die Elektronen bestimmen das magnetische Verhalten

Magnetismus wird vom Verhalten der Elektronen im Material bestimmt. Jedes Elektron hat eine magnetische Richtung – den Elektronenspin. „In einem Permanentmagneten beeinflussen sich diese Spins gegenseitig so, dass sie alle in dieselbe Richtung zeigen – so entsteht ein starkes makroskopisches Magnetfeld“, erklärt Professor Peter Mohn vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Ob sich die Elektronenspins allerdings frei im Material ausrichten können, hängt von der Art der Atombindungen ab. Wenn zwei benachbarte Atome eine Bindung eingehen und sich zwei Elektronen teilen, zeigen diese beiden Elektronenspins normalerweise in genau entgegengesetzte Richtungen – zum Magnetismus können sie dann nicht beitragen. Gibt es hingegen in einem Material viele ungepaarte Elektronen, kann es ein starkes magnetisches Moment aufweisen.

Gemeinsam mit Peter Mohn berechneten seine Doktoranden Christoph Gruber und Pedro Osvaldo Bedolla-Velazquez Materialeigenschaften in aufwändigen Computersimulationen. Die Arbeit fand im Rahmen des Spezialforschungsbereichs „Vienna Computational Materials Laboratory“ (ViCoM) statt.

Tauschen und Teilen

„Wir untersuchten Bariumtitanat, ein Material, in dem alle Bindungen abgesättigt sind – alle Elektronen kommen in Paarbindungen vor“, sagt Peter Mohn. „Es ist daher nicht magnetisch.“ Bariumtitanat ist ein würfelförmiges Gitter aus Barium-, Titan- und Sauerstoffatomen. Das Forschungsteam berechnete, wie sich Materialeigenschaften ändern, wenn man manche der Sauerstoffatome durch Kohlenstoff ersetzt. Kohlenstoff hat zwei Elektronen weniger als Sauerstoff, deshalb sind in der kohlenstoffhaltigen Variante nicht mehr alle Elektronen gepaart. „Wie wir vermutet hatten, führt das dazu, dass dieses Material nun ein magnetisches Moment aufweist“, sagt Peter Mohn. „Unsere Rechnungen zeigen ganz klar, dass tatsächlich der Kohlenstoff dieses magnetische Moment trägt – und das, obwohl Kohlenstoff sonst niemals magnetisch ist.“ Ähnliches Verhalten zeigt sich, wenn man statt Kohlenstoff Bor oder Stickstoff verwendet.

Magnetische Isolatoren

Überraschend war allerdings, dass sich die elektrischen Eigenschaften des Materials nicht maßgeblich änderten: „Man hätte vermuten können, dass das Material, wenn es magnetisch wird, in einen metallischen Zustand übergeht und elektrischen Strom leitet“, erklärt Peter Mohn. „Doch es bleibt nach wie vor ein Isolator.“ Dadurch wurde eine höchst interessante neue Klasse von Materialien entdeckt. Es ist zu vermuten, dass dieses bemerkenswerte Zusammenspiel von magnetischen und elektrischen Eigenschaften nicht nur bei Bariumtitanat festzustellen ist, sondern auch in anderen, ähnlichen Kristallen.

Auf dem Weg zur Super-Linse?

Die Hoffnung der Forschungsgruppe um Peter Mohn ist nun, dass sich aufgrund der eigenartigen elektromagnetischen Eigenschaften dieses Materials der Brechungsindex des Kristalls durch ein äußeres Magnetfeld steuern lässt. „Damit könnte man optische Linsen bauen, deren Brennweite flexibel einstellbar ist – ganz ohne mechanischen Zoom, wie man ihn aus der Fotokamera kennt“, spekuliert Mohn. Inwieweit das möglich ist, wird sich in künftigen Forschungen herausstellen.

Gewaltige Rechenkapazität

Quantenmechanische Simulationen dieser Art sind extrem rechenintensiv. Die TU Wien (und auch die Universität Wien, mit der auf diesem Gebiet viele Kooperationen bestehen) gilt international als wichtiges Zentrum der numerischen Materialwissenschaft. Das Team von Peter Mohn verwendete für seine Berechnungen das Vienna ab initio simulation package (VASP) – ein in Wien entwickeltes Softwarepaket, das mittlerweile auf der ganzen Welt angewandt wird. „Außderdem haben wie hier an der TU Wien einen äußerst leistungsfähigen Computercluster – den VSC-2“, sagt Peter Mohn. „Diese Rechenpower ist entscheidend, wenn man in der Materialwissenschaft international vorn dabei sein möchte.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Europhysics Letters, p-electron magnetism in doped BaTiO3-xMx (M=C, N, B)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Sicher ist sicher

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Pressemitteilung der TU Graz vom 07.05.2012

Informatiker der TU Graz entwickelt weltweiten Standard für sicheres Programmieren

Wie gefährlich Software sein kann, zeigen nicht nur die hinterlistigen „Trojanische Pferde“: Auch Industrieviren wie der „Stuxnetvirus“, der vor zwei Jahren vermutlich zur Sabotage iranischer Atomanlagen programmiert wurde, haben ein großes Zerstörungspotential. Schädliche Software bedroht eben nicht nur private Computer, sondern kann vor allem in Industrie und Wirtschaft fatale Folgen haben. Ein Chip, der entwickelt wurde, um die Computersicherheit zu verbessern und bereits in Millionen von PCs eingebaut ist, fand bislang mangels Softwareschnittstellen kaum Verwendung. Ein internationales Expertenteam hat nun unter der Federführung des Instituts für Angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie der TU Graz einen weltweiten Standard für die Programmierung in Java entwickelt, der Schnittstellendefinitionen liefert und genaue Anleitung gibt, wie die Dienste des Chips angesprochen werden können.

Egal ob in E-Mail-Programmen, Internetanwendungen wie Facebook und iTunes oder Online-Banking – schädliche Software ist eine allgegenwärtige Bedrohung. Das sogenannte „Trusted Platform Module“, ein Sicherheitschip, der auf Millionen PCs bereits mitgeliefert wird, soll die Unversehrtheit der Software sicherstellen. Das Problem bisher: Das Potential des Sicherheitschips wurde mangels geeigneter Softwareschnittstellen – besonders für die beliebteste Programmiersprache Java – kaum verwendet. „Die bestehenden Schnittstellen waren sehr kompliziert und umständlich zu benutzen“, erklärt Ronald Tögl vom Institut für Angewandte Informationsverarbeitung und Kommunikationstechnologie der TU Graz. Unter seiner Federführung hat ein internationales Team nun einen weltweit gültigen Standard für Programmierschnittstellen, in der Fachsprache kurz API, für Java-Programmierung entwickelt. Damit gibt es ein „Handbuch“ für Programmieren in Java, das es ermöglicht, die kryptographischen Mechanismen des Sicherheitschips anzuwenden und Computer abzusichern. „Software-Entwickler erkennen nun, welche Programmierbefehle der Chip versteht. Das vereinfacht die Arbeit der Programmierer erheblich und erhöht gleichzeitig die Computersicherheit“, so Tögl.

Wertvolles Feedback der Öffentlichkeit

Der Standard mit der Bezeichnung JSR321 – JSR steht für Java Specification Request – macht es möglich festzustellen, ob auf einem PC nur jene Software läuft, die man selbst installiert hat, oder ob sich etwas „Fremdartiges“ eingenistet hat. In vierjähriger Arbeit hat ein internationales Team unter der Leitung der TU Graz an der Entwicklung dieses Standards gearbeitet. „Wir haben während der Entwicklung des Standards unsere Ergebnisse nicht nur einem Expertengremium vorgelegt, sondern auch immer wieder Unternehmen, anderen wissenschaftlichen Projektgruppen und der Öffentlichkeit zum Download zur Verfügung gestellt und um Kommentare gebeten. So ging der Standard durch mehrere Phasen und wurde stetig verbessert“, erläutert Tögl. Auch Marktführer wie Intel, Twitter und Credit Suisse unterstützen den Standard.

Beteiligt an der Entwicklung des Programmierstandards waren neben der TU Graz auch Experten von namhaften Unternehmen wie Oracle und Samsung sowie Forscher der University of Cambridge und der Universität Klagenfurt. Ronald Tögl wurde für die Leitung dieses Projekts bereits mit dem „Outstanding Spec Lead“ Award 2010 ausgezeichnet.

Im Field of Expertise „Information, Communication & Computing“ sind an der TU Graz Forschungsaktivitäten aus den Bereichen Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Mathematik zu einem von fünf Forschungsschwerpunkten gebündelt.

Externer Link: www.tugraz.at

Neuer Entstehungsweg für Makrophagen gefunden

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Pressemitteilung der TU München vom 27.04.2012

Makrophagen spielen eine Schlüsselrolle bei der Immunabwehr. Die Zellen schützen den Organismus vor Infektionen und steuern Entzündungsreaktionen im Gewebe. Dabei unterscheiden sich Makrophagen je nach Einsatzort und Aufgaben. Ein Wissenschaftler der TU München hat nun untersucht, ob die verschiedenen Zelltypen eine gemeinsame embryonale Entstehungsgeschichte haben – und Überraschendes festgestellt: Abhängig von ihrer Herkunft bilden Makrophagen offensichtlich zwei eigenständige Zelllinien, die auch im Erwachsenen-stadium fortbestehen. Die Arbeit wurde kürzlich in „Science“ vorgestellt.

Der Organismus von Wirbel- und Säugetieren besteht aus einer Vielzahl hoch spezialisierter Zellen, die zumeist aus embryonalen Stammzellen hervorgehen. Dies gilt auch für Zellen des Immunsystems. Bisher waren die Wissenschaftler davon ausgegangen, dass alle Makrophagen von Blutstammzellen gebildet werden. Ein Teil dieser Immunzellen existiert jedoch bereits vor der Entstehung dieser Stammzellen – im Dottersack. Die Bedeutung dieser extra-embryonalen Makrophagen gab lange Zeit Rätsel auf.

Während seines Gastaufenthaltes am King’s College in London untersuchte Dr. Christian Schulz, Internist am Deutschen Herzzentrum der TU München, zusammen mit Forscherkollegen die Entwicklung von Mausmakrophagen. Um festzustellen zu können, inwieweit sich Makrophagen unabhängig von embryonalen Stammzellen bilden können, führten die Wissenschaftler ihre Untersuchungen an Mäusen durch, denen der Wachstumsfaktor Myb fehlt. Die Blutstammzellen sind auf diesen Faktor angewiesen. „Überraschenderweise entwickeln sich die Makrophagen im Dottersack auch ohne Myb. Dadurch konnten wir eine Stammzell-unabhängige Zelllinie abgrenzen“, erklärt Christian Schulz.

Mithilfe einer zellspezifischen Markierung in der Frühphase der Embryonalentwicklung verfolgten die Forscher dann den Lebensweg der myeoliden Immunzellen. Die Studien führten zu einem unerwarteten Ergebnis: Die im Dottersack gebildeten Zellen entwickelten sich zu Gewebe-Makrophagen, die in verschiedensten Organen erwachsener Mäuse zu Hause sind. In der Blutbahn kreisende Makrophagen entstanden nicht im Dottersack. Für deren Bildung waren alleine die Stammzellen zuständig – ein Ergebnis, das Schulz so interpretiert: „Offensichtlich wandern Dottersack-Makrophagen sehr früh in der embryonalen Entwicklung in die Organe ein, um dort zu verbleiben. Es gibt einige Hinweise darauf, dass die Zellen in den Organen lange Zeit überleben und sich selbst erneuern können. Im Gegensatz dazu werden die kurzlebigen Blutmakrophagen kontinuierlich aus Stammzellen ersetzt.“

Die Makrophagen im Gehirn bezeichnet man als Mikroglia-Zellen, in der Haut sind sie als Langerhans-Zellen und in der Leber als Kupffer-Zellen bekannt. Als unspezifische „Fresszellen“ eliminieren sie zum Beispiel Bakterien und andere körperfremde Stoffe, in ihrer Eigenschaft als Antigen-präsentierende Immunzellen aktivieren sie die spezifische Immunantwort. Die aktuellen Untersuchungen deuten darauf hin, dass zwei eigenständige Linien myeloider Zellen mit unterschiedlicher Genexpression existieren, die verschiedene Aufgaben erfüllen. „Weitere Studien werden zeigen, ob sich daraus auch Folgen für den Verlauf von Entzündungsreaktionen ergeben“, resümiert Christian Schulz. „Als Herzspezialist interessiert mich dabei besonders die Atherosklerose, ein entzündlicher Prozess der Gefäßwand, der zum Herzinfarkt oder Schlaganfall führen kann.“

Publikation:
Christian Schulz, Elisa Gomez Perdiguero, Laurent Chorro, Heather Szabo-Rogers, Nicolas Cagnard, Katrin Kierdorf, Marco Prinz, Bishan Wu, Sten Eirik W. Jacobsen, Jeffrey W. Pollard, Jon Frampton, Karen J. Liu, Frederic Geissmann, A Lineage of Myeloid Cells Independent of Myb and Hematopoietic Stem Cells, Science. 2012 Apr 6; 336(6077):86-90

Externer Link: www.tu-muenchen.de