Archiv der Kategorie: Hochschule

Von Computerspielen in die Wissenschaft

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 03.04.2012

Neue Beleuchtungsmethode verbessert Qualität von Visualisierungen

Simulationen sind aus vielen Bereichen in Forschung, Industrie oder der Medizin nicht mehr wegzudenken. Die Menge der Daten und ihre Komplexität steigt, und die Betrachtungszeiträume werden länger. Daher ist es ist eine große Herausforderung, Prozesse möglichst realistisch zu untersuchen, ohne die verfügbaren Rechenleistungen zu sprengen. Wissenschaftler des Visualisierungsinstitutes der Universität Stuttgart haben nun im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 716 ein Verfahren entwickelt, das die Qualität virtueller Bilder erheblich verbessert und gleichzeitig schnell genug ist, um komplexe, dynamische Simulationen effizient auf handelsüblichen Computern zu analysieren. Hierzu machen sie sich eine Beleuchtungs-Methodik zu Nutze, die von Computerspielen bekannt ist.

Wann bricht Metall unter mechanischen oder thermischen Belastungen? Unter welchen Bedingungen binden sich Fette an Waschmittel? Wann nutzen sich Verschleißteile einer hydraulischen Maschine ab? Simulationen ermöglichen es, diese Fragen zu beantworten und Prozesse zu optimieren, bei denen Experimente nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand durchführbar sind. Voraussetzung für eine effektive Analyse ist jedoch eine hohe Bildqualität. Dazu gehört eine optimale Beleuchtung. Doch das ist einfacher gesagt als getan: Die auszuwertenden Datensätze erreichen viele Gigabyte und enthalten oft mehrere Millionen Partikel pro Zeitschritt. Eine lange Beobachtungsdauer potenziert die zu verarbeitende Informationsflut zusätzlich.

Realistische Bilder auf handelsüblichen Rechnern

Beleuchtungs-Modelle der klassischen Echtzeitcomputergrafik sind für solche umfangreichen Simulationen nicht geeignet. Die Beleuchtung photometrisch exakt zu berechnen, sprengt dagegen schnell die verfügbare Rechenkapazität und verlängert den Analyseprozess unnötig. Auf der Suche nach Alternativen haben Forscher des SFB 716 nun eine aus der Computergrafik bekannte Methodik auf wissenschaftliche Darstellungen übertragen. Mit dem sogenannten „Ambient Occlusion Verfahren“ werden üblicherweise Szenen für Computerspiele berechnet. Die Darstellungsqualität von Daten aus Partikelsimulationen hat sich dadurch enorm verbessert. „Was man sieht, ist zwar physikalisch nicht ganz korrekt, aber der Eindruck ist mit einer realen Beleuchtungssituation vergleichbar. Zudem ist das Verfahren schnell genug, um die Visualisierungen auf handelsüblichen Rechnern zu berechnen“, beschreibt Sebastian Grottel seine gemeinsam mit Kollegen entwickelte Arbeit.

Von Medizin bis Materialbearbeitung

Erste Anwendung fand die Methode bei der Untersuchung von sogenannten Laserablationen, dem Abtragen von Material mit Laserstrahlen. Dieses Verfahren wird unter anderem in der minimalinvasiven Chirurgie oder bei der Behandlung von Hauterkrankungen eingesetzt, aber auch in verschiedenen Sparten der Materialbearbeitung, so bei Gravierungen auf mikroskopischer Skala, Reinigungs- oder Beschichtungsprozessen. Dabei kommt es zu Wechselwirkungen zwischen verdampftem Material und dem Laserstrahl, was dazu führt, dass ein Teil der winzig kleinen abgetragenen Teilchen die Materialoberfläche beeinträchtigt. Mit dem neuen Beleuchtungsverfahren können die Wissenschaftler diese Prozesse leichter analysieren, da sich die Tiefe der entstandenen Krater sowie die Menge und Größe des ausgeschleuderten Materials wesentlich besser einschätzen lassen.

Ebenso profitieren Biochemiker und Pharmazeuten von dieser Methodik: Denn um Medikamente zu entwickeln und verbessern, sind konkrete Informationen zu Oberfläche und Form von Makromolekülen wie Proteine, Viren und Bakterien erforderlich. Beispielsweise müssen reagierende Antikörper nicht nur in ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch durch ihre Form wie ein Puzzleteil exakt an die Oberfläche eines Virus passen. Solche Informationen sind nun wesentlich detaillierter und präziser zu erkennen. Das Verfahren wurde im März auf der internationalen Visualisierungskonferenz Pacific VIS 2012 in Songdo in Korea vorgestellt. Langfristig wird es in umfangreiche Visualisierungssoftwarepakete integriert, so dass Wissenschaftler und Ingenieure an Universitäten und in der Industrie zur Auswertung von Simulationsdaten darauf zugreifen können.

Originalveröffentlichung:
Grottel, Sebastian; Krone, Michael; Scharnowski, Katrin; Ertl, Thomas: Object-Space Ambient Occlusion for Molecular Dynamics.
In: Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2012 (2012).

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Linzer Forscher entwickeln leichteste Solarzellen der Welt

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Presseaussendung der JKU Linz vom 04.04.2012

Eine Revolution im Bereich der flexiblen organischen Solarzellen hat eine Kooperation von Wissenschaftern der Johannes Kepler Universität Linz und der Universität Tokio (Japan) erbracht. Den Forschern gelang die Entwicklung von extrem flexiblen, dünnen und dennoch leistungsfähigen Zellen. Das Ergebnis wurde nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Das besondere an den neuen Solarzellen: Die aktiven, energieerzeugenden Elemente machen 1/3 der Zelle aus, das darunter liegende Substrat, vorwiegend Plastikfolie, nimmt nur noch 2/3 der Zelle in Anspruch. Bei herkömmlichen Solarzellen dieser Bauart machte das Substrat bisher noch mehr als 99 Prozent der Zelle aus. „Damit ist uns bei organischen Solarzellen ein Rekord gelungen“, freut sich Dr. Martin Kaltenbrunner vom Institut für Experimentalphysik. „Die neuen Zellen erzeugen bereits 10 Watt pro Gramm – das ist weltweit unerreicht.“ Der junge Forscher hat mit seinen Kollegen Dr. Matthew White und Eric Glowacki unter der Leitung der Professoren Takao Someya, Niyazi Serdar Sariciftci und Siegfried Bauer damit neue Maßstäbe gesetzt.

High-Tech im Mikrometer-Bereich

Zwar können organische Solarzellen nach wie vor nicht mit der Leistung von Silizium-basierten Systemen mithalten. „Aber ihr Vorteil liegt im unschlagbaren Leistungs/Gewichtsverhältnis.“ Vier Gramm wiegt das Solarzellen-System – und das pro Quadratmeter. Kein Wunder: Die Zellen sind nur zwei Mikrometer dünn – „wie Spinnfäden“, erklärt Kaltenbrunner. Und es geht noch weiter: Wird die Solarzelle auf Gummi aufgebracht, ist sie sogar dehnbar.

Viele Anwendungsbereiche

Anwendung finden können die ultraleichten Solarzellen in der Robotik, bei synthetischer Haut oder auf E-Textilien. „Bei all diesen Bereichen kommt es darauf an, dass die Zellen nicht nur leistungsfähig, sondern auch leicht und flexibel sind. An vielen Dingen kann man starre Zellen gar nicht anbringen“, so Kaltenbrunner. Auch an Nachfolgeprojekten wird an der JKU bereits geforscht: „Das grundsätzliche System ist auch für elektrische Schaltkreise anwendbar. Das ist für die Industrie natürlich enorm interessant“, weiß Kaltenbrunner um die Bedeutung der innovativen Forschungsarbeit für die Wirtschaft. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Roboterhand greift auch rohe Eier mit großem Fingerspitzengefühl

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 30.03.2012

Dinge wie ein Rohes Ei zu behandeln, ist zum Synonym für Fingerspitzengefühl geworden. Ein komplexer Bewegungsapparat ist nötig, um ein Ei nicht zu zerbrechen, wenn man es in der Hand hält. Umso schwieriger ist es, auch Maschinen solches Fingerspitzengefühl beizubringen. Forschern der Universität des Saarlandes ist das jetzt zusammen mit Wissenschaftlern aus Bologna und Neapel gelungen. Sie haben eine Roboterhand entwickelt, die ein rohes Ei halten kann. Sie ist samt Antrieb nicht größer als der menschliche Arm. Möglich macht dies ein neuartiger Schnurantrieb, bei dem kleine Elektromotoren die Schnüre verdrillen. Die Roboterhand ist dadurch kraftvoll, aber auch feinfühlig und könnte eines Tages als Helfer im Haushalt oder bei Katastrophen zum Einsatz kommen.

„Wir wollten unserer Roboterhand ein breites Spektrum an menschlichen Eigenschaften verleihen. Auf einfache und platzsparende Weise sollten ihre künstlichen Muskeln enorme Kräfte übertragen können“, erklärt Chris May, Wissenschaftler am Lehrstuhl für Antriebstechnik der Universität des Saarlandes. Die Roboterhand wurde jetzt bei einer Tagung am Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe vorgestellt. Sie ist ein Beispiel für neue Wege, die im Rahmen des europäischen DEXMART-Projektes in der Roboterforschung beschritten wurden. Internationale Wissenschaftler hatten vier Jahre lang verschiedene Konzepte entwickelt, um vor allem zweiarmige Roboter möglichst vielseitig einsetzen zu können. Die Europäische Union hat den Forschungsverbund dafür mit 6,3 Millionen Euro gefördert.

„Wenn Roboter im Haushalt helfen oder Menschen aus brennenden Häusern retten sollen, benötigen sie Hände, die kraftvoll und zugleich behutsam zupacken“, erklärt Hartmut Janocha, Professor für Prozessautomatisierung an der Universität des Saarlandes. Die Herausforderung bestehe darin, die erforderliche Technik möglichst im Roboterarm verschwinden zu lassen, wobei sich dieser in Größe und Umfang nicht wesentlich vom menschlichen Arm unterscheide. „Wir kamen dabei auf eine einfache, aber äußerst wirksame Idee: Über Schnüre, die von kleinen, schnell drehenden Elektromotoren verdrillt werden, können wir auf kleinstem Raum sehr hohe Zugkräfte erzeugen“, erläutert Mechatronik-Forscher May. Die über Sensoren geregelte Roboterhand könne dadurch vielfältige Gegenstände ertasten, sie greifen und anheben und an anderer Stelle wieder behutsam ablegen. Chris May demonstrierte dies in Karlsruhe am Beispiel von zerbrechlichen Ostereiern und schweren Glasflaschen.

Polymerschnüre, die enorm belastbar sind, geben den Saarbrücker Forschern die Möglichkeit, mit einem kleinen Elektromotor und einer Schnur von 20 Zentimetern Länge eine Last von fünf Kilogramm in Sekundenschnelle um 30 Millimeter anzuheben. „Jeder Roboterfinger, der wie beim Menschen in drei Glieder unterteilt ist, kann mit den einzelnen Seilzügen sehr feinfühlig gesteuert werden“, beschreibt Chris May den neuartigen Miniaturantrieb. Die winzigen Elektromotoren laufen mit hoher Drehzahl und kleinem Drehmoment von etwa fünf Newtonmillimetern. „Die Roboterhand ist dadurch so nah an menschlichen Fähigkeiten, dass die Vorstellung, sie als persönlichen Assistenten im Haushalt, im Operationssaal oder auch bei industriellen Anwendungen einzusetzen, immer näher rückt. Wir gehen außerdem davon aus, dass diese Verknüpfung von Miniaturmotoren mit verdrillten Schnüren auch für andere Anwendungen interessant sind“, meint der Forscher.

Mit Themen der Antriebstechnik, Sensorik sowie der künstlichen Intelligenz von Robotern haben sich weitere Forscherteams im Rahmen des DEXMART-Projektes beschäftigt. An dem von der Europäischen Union geförderten Forschungsverbund waren insgesamt acht Universitäten und Forschungsinstitute in Deutschland, Frankreich, Italien und Großbritannien beteiligt.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Quantengravitation im Spiegel sehen?

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Pressemeldung der Universität Wien vom 18.03.2012

Auf der Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen wird die Verschmelzung der Quantenphysik mit Einsteins Theorie der Gravitation erwartet. Diese Skala ist jedoch so weit von heutigen experimentellen Möglichkeiten entfernt, dass es als nahezu unmöglich gilt, die Quantengravitation zu testen. Eine Forschungskollaboration zwischen den Gruppen von Časlav Brukner und Markus Aspelmeyer, beide Professoren auf dem Bereich der Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Universität Wien, sowie der Gruppe von Myungshik Kim, Professor am Imperial College London, hat jetzt ein Experiment mit Spiegeln auf der Skala der Planck-Masse vorgeschlagen, mit dem man einige Quantengravitationstheorien im Labor überprüfen könnte. Die Resultate werden diese Woche im Fachjournal „Nature Physics“ publiziert.

Eine seit langem ungelöste Aufgabe

Eine der wichtigsten und spannendsten Aufgaben der modernen Physik ist die Suche nach einer Theorie, die die Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereinigt. Die Quantenmechanik beschreibt die Physik, die sich auf den Größenordnungen von einzelnen Teilchen, Atomen und Molekülen zeigt. Andererseits zeigt sich Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vor allem bei großen Massen. Eine vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation erwartet man erst auf der so genannten Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen. Die Planck-Länge ist gerade mal 1.6 x 10-35 Meter groß: Würde man diese Länge als 1 Meter definieren, so wäre ein Atom so groß wie das gesamte sichtbare Universum. Und auch die Planck-Energie ist so groß, dass selbst der Large Hadron Collider des CERN nur einen winzigen Bruchteil dieser Energie erreicht. Um nahe an die Planck-Energie zu kommen, müsste ein Teilchenbeschleuniger eine astronomische Größe haben. Die Planck-Skala kann auch durch die Planck-Masse beschrieben werden: Ein Staubkorn hat etwa diese Masse, was im Vergleich zu Atomen extrem schwer ist, sodass Quanteneffekte für solche Massen als nicht beobachtbar gelten. Die Planck-Skala ist somit so weit von Experimenten entfernt, dass es als nahezu unmöglich gilt, Theorien der Quantengravitation zu testen. Trotzdem haben Physiker jetzt einen Weg gefunden, Vorhersagen mancher Theorien der Quantengravitation im Experiment mit massiven Spiegeln zu testen.

Die Reihenfolge macht den Unterschied

Die Quantenmechanik verbietet es, die Position und die Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig zu kennen. Trotzdem sind aufeinanderfolgende Messungen vom Ort und vom Impuls möglich: Entweder man misst zuerst den Ort und dann den Impuls oder umgekehrt. In der Quantenphysik erhält man unterschiedliche Resultate, je nachdem welche Reihenfolge man wählt. Viele Theorien zur Quantengravitation besagen jedoch, dass sich dieser Unterschied abhängig von der Masse ändert, denn die Planck-Länge begrenzt die Messgenauigkeit von Entfernungen. Die Forscher in Wien und in London haben jetzt gezeigt, dass trotz dieser nur sehr kleinen Änderung ein messbarer Effekt bei sehr massiven Quantensystemen auftreten kann.

Neue Theorien mit beweglichen Spiegeln testen

Die Idee der Forscher besteht darin, diese Differenz zwischen den beiden Messreihenfolgen in neuen Quantensystemen zu testen: Mit neuen Techniken und Quantentechnologien ist es seit kurzem möglich, massive, bewegliche Spiegel in Quantenzustände zu bringen und diese mit sehr hoher Präzision auszumessen. Die Forscher schlagen vor, vier Wechselwirkungen zwischen einem Laserpuls und einem beweglichen Spiegel zu nutzen, um genau diesen Unterschied zwischen der Reihenfolge der Messungen des Orts und des Impulses zu untersuchen. Indem man die Wechselwirkungen ganz genau zeitlich koordiniert und präzise implementiert, ist es möglich, diesen Effekt auf den Laserpuls zu übertragen und ihn dann mit quantenoptischen Methoden auszulesen. „Jegliche Abweichung von dem erwarteten quantenmechanischen Ergebnis wäre sehr spannend“, sagt Igor Pikovski, Hauptautor der Forschungsarbeit, „und selbst wenn man keine Abweichung misst, erhält man eine Einschränkung für mögliche neue Theorien“. In der Tat machen einige der Theorien zur Quantengravitation von der Quantenmechanik abweichende Vorhersagen für das Ergebnis des Experiments. Die Forscher zeigen mit ihrer Arbeit, dass es möglich sein kann, einige Vorhersagen der immer noch unverstandenen Quantengravitation direkt auf dem Labortisch zu testen.

Publikation:
Probing Planck-scale physics with quantum optics: I. Pikovski, M. R. Vanner, M. Aspelmeyer, M. S. Kim and C. Brukner. Nature Physics (2012)
DOI: 10.1038/NPHYS2262

Externer Link: www.univie.ac.at

Immer der Reihe nach: Molekülkontrolle am Nano-Sensor

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Pressemitteilung der TU München vom 19.03.2012

Nano-Rezeptoren identifizieren einzelne Moleküle:

In der Natur gibt es viele Vorbilder für hochsensitive Sensoren. Ein Beispiel dafür sind die Geruchsrezeptoren der menschlichen Nase, die ganz speziell auf einzelne Moleküle ansprechen. Davon inspiriert, hat ein Forscherteam der Technischen Universität München und der Goethe Universität Frankfurt jetzt ein System aus festkörperbasierten Nanoporen entwickelt, mit dem sich einzelne Moleküle identifizieren lassen. Gegenüber früheren Arbeiten auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftler erreicht, dass der Sensor zwei Eigenschaften vereint: Er reagiert auf einzelne Moleküle und erkennt gleichzeitig ihre Identität. Damit eröffnen sich vielfältige Anwendungen in der Nanodiagnostik, etwa die Analyse des gesamten Proteinportfolios in einer Körperzelle. Die Arbeit wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Die Entwicklung hochauflösender Nachweismethoden auf molekularer Ebene schreitet immer weiter voran. Inzwischen gibt es viel versprechende Ansätze für neue Nanowerkzeuge, mit denen sich selbst einzelne Moleküle identifizieren lassen. Eines dieser Verfahren arbeitet nach dem Prinzip einer Nanoschleuse, die Moleküle nur einzeln passieren lässt. Dem Wissenschaftler-Team aus München und Frankfurt ist es jetzt gelungen, einen solchen Nano-Sensor zusätzlich mit biologischen Funktionen auszustatten, so dass auch die Identität der durchgeschleusten Moleküle ermittelt werden kann.

Das Prinzip des Sensors: Mit Hilfe eines Elektronenstrahls bohren die Wissenschaftler winzige Löcher mit einem Durchmesser von 25 Nanometer in eine dünne Halbleitermembran aus Siliziumnitrid. Diese Öffnung ist gerade groß genug für ein einzelnes Molekül. Um sicherzugehen, dass Biomoleküle nicht zufällig an Unebenheiten der Pore binden, wird diese mit einer selbstorganisierenden Schicht ausgekleidet, an der Proteine nicht haften bleiben. In dieser Schicht ist der Rezeptor aus mehreren Nitrilotriessigsäure-Molekülen verankert. Dieser Rezeptor erkennt und bindet spezifische Moleküle, die vorab mit einem „Etikett“ aus sechs Aminosäuren (Histidin) ausgezeichnet wurden. Nach dem gleichen Prinzip können aber auch ganze Proteine in der Pore eingesetzt werden, die wiederum als Torwächter andere Proteine beim Durchtritt „kontrollieren“ und gegebenenfalls für eine bestimmte Zeit binden. Die anorganische Pore übernimmt damit die biologische Funktion des verankerten Proteins. Auf diese Weise konnten die Forscher auch Subklassen von IgG-Antikörpern aus Ratten und Hamstern unterscheiden.

Die Messungen an der Nanoschleuse laufen in einer Salzlösung ab. Legt man elektrische Spannung an, strömen die Ionen der Lösung durch die Poren. Sobald sich das passende Biomolekül an den Rezeptor bindet, verengt sich die Pore und der Stromfluss nimmt ab. Auf diese Weise kann das An- und Abbinden eines bestimmten Moleküls in Echtzeit beobachtet werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sich nur ein einziger Rezeptor in der Pore befindet – was den Wissenschaftlern mit diesem Verfahren zum ersten Mal gelang.

Die möglichen Anwendungsgebiete dieses biomimetischen sensorischen Systems sind vielversprechend. So könnten schwierige Probleme in der Proteomik mit diesem Ansatz realisierbar sein, etwa die Analyse der Proteinzusammensetzung einer einzelnen Zelle. Zum anderen könnte dieses System als schneller und sensitiver Biosensor für das Screening von Pharmazeutika oder zur Detektion von Biowaffen dienen.

„Bisher richtet sich die Nanoporenforschung vor allem auf DNA-Detektion und Sequenzierung. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Nanoporen das Potenzial haben, sich zu einem wichtiges Werkzeug in der Proteinforschung zu entwickeln“, erklärt Dr. Ulrich Rant vom Walter-Schottky-Institut und Institute for Advanced Study an der TU München. „Und wer weiß, vielleicht finden Nanoporen-Proteinsensoren schon bald Anwendung in der medizinischen Diagnostik. Vorstellbar wäre zum Beispiel, bei Patienten molekulare Krankheitsmarker nachzuweisen, die in nur sehr geringen Konzentrationen vorkommen.“

„Die Zukunft bleibt spannend, da die Natur uns weiterhin in Selektivität und Spezifität voraus ist. Deshalb sind weitere Verbesserungen im Feld von sensorischen Systemen auf molekularer Ebene nötig“, ergänzt Prof. Robert Tampé vom Institut für Biochemie an der Goethe Universität Frankfurt. „Die Zusammenarbeit des Teams aus München und Frankfurt ist aber ein wichtiger Schritt in der Biosensorik und Nanodiagnostik auf Einzelmolekülebene.“

Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft SFB 863 und SFB 807), TUM Institute for Advanced Study, Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, und Exzellenzcluster Macromolecular Complexes (Goethe-Universität Frankfurt).

Publikation:
Stochastic sensing of proteins with receptor-modified solid-state nanopores Ruoshan Wei, Volker Gatterdam, Ralph Wieneke, Robert Tampé, and Ulrich Rant
Nature Nanotechnology, March 11, 2012. DOI: 10.1038/NNANO.2012.24

Externer Link: www.tu-muenchen.de