Archiv der Kategorie: Hochschule

Spin-Laser auf der Überholspur

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 28.10.2011

Datenübertragung für das Internet von morgen

RUB-Forscher entwickeln neues Konzept für ultraschnelle Laser

Bochumer Elektrotechnikern ist es gelungen, ein neues Konzept für ultraschnelle Halbleiterlaser zu entwickeln. Forscher der RUB nutzen dabei die Eigendrehbewegung von Elektronen, den sogenannten Spin, geschickt aus, um die bisherigen Barrieren für die Geschwindigkeit erfolgreich zu durchbrechen. Die neuen Spin-Laser haben das Potenzial zukünftig Modulationsfrequenzen deutlich über 100 GHz zu erreichen. Das ist ein entscheidender Schritt zur Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung z.B. für das Internet von morgen. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der renommierten Zeitschrift „Applied Physics Letters“ des American Institute of Physics.

Optische Datenübertragung: Die Basis unserer Informationsgesellschaft

Die optische Datenübertragung durch Halbleiterlaser ist eine Grundvoraussetzung für die global vernetzte Welt und die heutige Informationsgesellschaft. Der immer größere Vernetzungsgrad und der Wunsch, größere Datenmengen austauschen zu können, bilden die Triebfeder für die Entwicklung immer schnellerer optischer Datenübertragungssysteme. Die maximale Geschwindigkeit herkömmlicher Halbleiterlaser war dabei lange ein begrenzender Faktor – typische Modulationsfrequenzen liegen derzeit bei Werten deutlich unter 50 GHz.

Über 100 GHz möglich: Eine Barriere wackelt

Durch Verwendung von Spin-Lasern konnten die Bochumer Forscher die bisherigen Grenzen für die Modulationsgeschwindigkeit überwinden. Während in konventionellen Lasern die Eigendrehrichtung der injizierten Elektronen völlig willkürlich ist, werden bei den Spin-Lasern nur Elektronen mit vorher festgelegtem Spinzustand verwendet. Durch die Injektion dieser spinpolarisierten Elektronen wird der Laser dazu gezwungen, auf zwei Lasermoden unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig zu arbeiten. „Dieser Frequenzunterschied lässt sich leicht durch die sogenannte Doppelbrechung im Resonator einstellen, zum Beispiel indem man den Mikrolaser einfach verbiegt“, sagt Dr. Nils Gerhardt. Durch die Kopplung der beiden Lasermoden im Mikroresonator entsteht eine Schwingung mit neuer Frequenz, die theoretisch weit über 100 GHz erreichen kann. Ihre Ergebnisse erzielten die Forscher um Dr. Gerhardt im Sonderforschungsbereich 491 der Universitäten Bochum und Duisburg-Essen („Magnetische Heteroschichten: Spinstruktur und Spintransport“). (Jens Wylkop)

Titelaufnahme:
N.C. Gerhardt, M.Y. Li, H. Jähme, H. Höpfner, T. Ackemann, and M.R. Hofmann: „Ultrafast spin-induced polarization oscillations with tunable lifetime in vertical-cavity surface-emitting lasers“, Appl. Phys. Lett. 99, 151107 (2011), DOI: 10.1063/1.3651339

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Wasserrucksäcke sichern Versorgung von bis zu 16.000 thailändischen Flutopfern

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 30.10.2011

Zur Versorgung der Menschen in den thailändischen Überschwemmungsgebieten mit trinkbarem Wasser hat das Auswärtige Amt am Freitag 40 Wasserrucksäcke vom Typ PAUL (Portable Aqua Unit für Lifesaving) auf den Weg in das ostasiatische Land geschickt.

Die tragbaren Wasseraufbereitungs- anlagen wurden am Mittag von Mitarbeitern des Technischen Hilfswerks (THW) bei der Universität Kassel in Empfang genommen. Das THW ist für den Transport nach Thailand zuständig. Es ist geplant, dass der Staatsminister im Auswärtigen Amt, Dr. Werner Hoyer, MdB, die 40 Wasserrucksäcke in der nächsten Woche in Bangkok an thailändische Hilfsorganisationen übergibt.

PAUL wurde von einem Team des Fachgebiets Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kassel um Prof. Dr. Franz-Bernd Frechen entwickelt. Der Wasserrucksack wiegt nur rund 20 Kilogramm und kann von Trägern oder Lasttieren selbst in Dörfer transportiert werden, zu denen keine Straßen mehr existieren. Auch das Absetzen vom Hubschrauber aus ist möglich. PAUL ist daher vor allem für die Versorgung entlegener oder durch eine Überschwemmung isolierter Ortschaften geeignet.

Der Wasserrucksack arbeitet ohne Energie und Zusatz von Chemikalien. Herzstück der Anlage ist eine Membran mit Öffnungen in Nanogröße, die Wassermoleküle durchlassen, Bakterien und Parasiten aber wirksam aus dem Wasser herausfiltern. Das schützt vor zahlreichen lebensbedrohlichen Krankheiten, die oft durch verunreinigtes Trinkwasser ausgelöst werden. Im Dauerbetrieb ist ein Wasserrucksack in der Lage, pro Tag 1.200 Liter Wasser zu filtern. Dies reicht aus für die Versorgung von bis zu 400 Menschen. PAUL wurde bereits erfolgreich während der Flutkatastrophe in Pakistan 2010, zur Bekämpfung der Cholera-Epidemie in Haiti sowie während der vergangenen Monate in den Dürre-Gebieten Ostafrikas eingesetzt. Die ersten Wasserrucksäcke sind seit über einem Jahr erfolgreich im Einsatz.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Ein Stapel von 35 Millionen Megapixel-Photos

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 19.10.2011

Weltrekord in 3D-Bildgebung poröser Gesteine

Einen Weltrekord auf dem Gebiet der dreidimensionalen Bildgebung für poröse Materialien haben Physiker um Prof. Rudolf Hilfer am Institut für Computerphysik (ICP) an der Universität Stuttgart aufgestellt. Im Rahmen eines Projekts des Exzellenzclusters Simulation Technology haben die Wissenschaftler das bisher größte und genaueste dreidimensionale Bild von der Porenstruktur eines Sandsteins erstellt. Es ist mehr als 35 Billionen (Zahl mit zwölf Nullen) Voxel – sprich Bildpunkte – groß und erlaubt es, die Wechselbeziehung zwischen Mikrostrukturen poröser Gesteine und deren physikalischen Eigenschaften noch besser zu verstehen. Poröse Gesteine spielen beispielsweise bei der Erdölförderung, der Kohlendioxidverpressung oder der Grundwasserversorgung eine entscheidende Rolle.

Bei der dreidimensionalen Bildgebung werden räumliche Strukturen digitalisiert und dann ähnlich wie Digitalphotos durch Bildpunkte dargestellt. Als Voxel werden die Bildpunkte dreidimensionaler Bilder bezeichnet – analog zu Pixel für Digitalphotos. Auf den dreidimensionalen Bildern am ICP ist die poröse Mikrostruktur eines Fontainebleau-Sandsteinwürfels mit der Kantenlänge von 1,5 Zentimetern systematisch über drei Dekaden vom Submillimeterbereich bis in den Nanometerbereich aufgelöst und digital abgebildet. Die Porenstruktur ähnlicher Sandsteine ist beispielsweise entscheidend für die hydraulischen Eigenschaften von Erdöllagerstätten und damit für die Gewinnbarkeit von Erdöl. Das größte dreidimensionale Bild, das die Physiker um Prof. Hilfer von der Mikrostruktur des Sandsteins erstellt haben, umfasst 32.768 hoch drei Bildpunkte, ist also insgesamt 35.184.372.088.832 Voxel groß.

Zum Vergleich: Klinische Ganzkörperaufnahmen eines Menschen, zum Beispiel Magnetresonanztomographiebilder, enthalten circa 720 Millionen Voxel. Selbst dreidimensionale Bilder in technischen und wissenschaftlichen Studien bestehen derzeit lediglich aus bis zu 20 Milliarden Voxel. In Digitalphotos mit zehn Megapixeln (also mit etwa zehn Millionen Bildpunkten) ausgedrückt, würde die Ganzkörperaufnahme einem Stapel von 72 Digitalphotos entsprechen, bei dem größten dreidimensionale Bild am ICP würde der Stapel etwa 35 Millionen Digitalphotos umfassen. „Dieser Weltrekord ist für die Physik poröser Materialien sehr wichtig, weil es dadurch erstmals möglich wird, äußerst komplexe Mikrostrukturen in Abhängigkeit von der Auflösung systematisch zu untersuchen“, sagt Hilfer. Die Mikrostruktur eines Materials bestimmt weitgehend seine elastischen, plastischen, mechanischen, elektrischen, magnetischen, thermischen, rheologischen und hydraulischen Eigenschaften. Umgekehrt können die Physiker aus den physikalischen Eigenschaften Rückschlüsse auf die Mikrostruktur ziehen.

Bisher war es nicht möglich, die vollständige Mikrostruktur einer Probe von mehreren Zentimetern Ausdehnung mit einer Auflösung von einigen hundert Nanometern abzubilden. „Man bräuchte mehrere Jahre Messzeit an einem Teilchenbeschleuniger wie zum Beispiel dem europäischen Synchrotronspeicherring in Grenoble, um dreidimensionale Abbildungen vergleichbarer Größe und Genauigkeit herzustellen“, erklärt Hilfer. Sein Team hat deshalb einen anderen Weg eingeschlagen. Zunächst haben die Forscher Verfahren und Theorien entwickelt, mit denen es möglich ist, Mikrostrukturen zu vergleichen und zu kalibrieren. Anschließend haben sie Algorithmen und Datenstrukturen entwickelt, die es erlauben, Computermodelle hinreichender Größe und Genauigkeit zu erzeugen. Diese Modelle haben die Stuttgarter Physiker schließlich rechnerisch digitalisiert und an realen Gesteinsproben kalibriert.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Fluorid-Shuttle steigert Speicherkapazität

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 19.10.2011

KIT-Forscher entwickeln neues Konzept für wiederaufladbare Batterien

Ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien haben Forscher des KIT entwickelt. Basierend auf einem Fluorid-Shuttle – der Übertragung von Fluorid-Anionen zwischen den Elektroden – verspricht es ein Mehrfaches der Speicherkapazität, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien möglich ist. Auch die Betriebssicherheit lässt sich erhöhen, da auf Lithium verzichtet werden kann. In der Zeitschrift „Journal of Materials Chemistry“ stellen Dr. Maximilian Fichtner und Dr. Munnangi Anji Reddy die Fluorid-Ionen-Batterie erstmals vor.

Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet – doch ihre Speicherkapazität ist begrenzt. In Zukunft werden, vor allem für mobile Anwendungen, Batteriesysteme mit höherer Energiedichte gefragt sein, die bei geringerem Gewicht mehr Energie speichern können. Wissenschaftler des KIT forschen daher auch an alternativen Systemen. Ein völlig neues Konzept für Sekundärbatterien, das auf Metallfluoriden basiert, haben Dr. Maximilian Fichtner, Leiter der Gruppe Energiespeichersysteme, und Dr. Munnangi Anji Reddy am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT entwickelt.

Metallfluoride lassen sich einerseits als Konversionsmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien einsetzen. Sie ermöglichen aber auch lithiumfreie Batterien mit fluoridhaltigem Elektrolyten, Anode aus Metall und Kathode aus Metallfluorid, die eine deutlich höhere Speicherkapazität und verbesserte Sicherheitseigenschaften aufweisen. Dabei übernimmt das Fluorid-Anion anstelle des Lithium-Kations den Ladungstransfer. An Kathode und Anode kommt es jeweils zur Bildung eines Metallfluorids oder zu dessen Reduktion. „Da sich mehrere Elektronen pro Metallatom übertragen lassen, erlaubt dieses Konzept außerordentlich hohe Energiedichten – bis zu zehn Mal so hoch wie bei gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien“, erklärt Dr. Maximilian Fichtner.

Die KIT-Forscher arbeiten nun daran, Materialdesign und Batteriearchitektur weiterzuentwickeln, um die Anfangskapazität sowie die Zyklenfestigkeit der Fluorid-Ionen-Batterie zu verbessern. Eine weitere Herausforderung liegt in der Weiterentwicklung des Elektrolyten: Der bis jetzt eingesetzte Feststoffelektrolyt eignet sich nur für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen. Ziel ist daher, einen geeigneten Flüssigelektrolyten zur Anwendung bei Raumtemperatur zu finden. (or)

Veröffentlichung:
M.Anji Reddy and M. Fichtner: Batteries based on fluoride shuttle. Journal of Materials Chemistry. 2011, Advance Article. DOI: 10.1039/C1JM13535J.

Externer Link: www.kit.edu

Sichelzellenanämie: Pfizer erwirbt Lizenzrechte an Basler Wirkstoff

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 13.10.2011

Der US-Pharmakonzern Pfizer hat die Lizenzrechte an einem Wirkstoff erworben, an dessen Entwicklung das Institut für Molekulare Pharmazie der Universität beteiligt war. Der Wirkstoff GMI-1070 soll eine neuartige Therapie zur Behandlung von Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie ermöglichen. Die erste von drei Phasen der klinischen Prüfung hat er bereits erfolgreich bestanden. Zurzeit wird GMI-1070 an Patienten mit Sichelzellenanämie getestet.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Beat Ernst am Departement für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel hat in den vergangenen neun Jahren in Zusammenarbeit mit der US-Pharmafirma GlycoMimetics Inc. eine neuartige Therapie zur Behandlung der Sichelzellenanämie entwickelt. Seit Sommer 2010 läuft die klinische Phase II mit dem neuartigen Wirkstoff GMI-1070, einem sogenannten Pan-Selectin-Antagonisten. Pfizer, das grösste Pharmaunternehmen der Welt, hat nun mit GlycoMimetics eine Lizenzvereinbarung getroffen, welche die weitere Entwicklung des Wirkstoffs regelt.

Die Vereinbarung räumt Pfizer eine weltweit exklusive Lizenz für die Verwendung des Wirkstoffs zur Behandlung der Sichelzellanämie und anderer Krankheiten ein, bei denen Selectin-vermittelte Adhesionsphänomene eine Schlüsselrolle spielen. GlycoMimetics bleibt für den Abschluss der laufenden Phase-II-Studie zuständig, danach geht die Verantwortung für die weitere Entwicklung und Vermarktung auf Pfizer über. Der potenzielle Wert des Abkommens mit Pfizer wird von GlycoMimetics auf rund 340 Millionen US-Dollar geschätzt.

Die Arbeitsgruppe von Prof. Ernst untersucht die molekularen Grundlagen von Kohlenhydrat-Protein Wechselwirkungen. Der Erfolg der Zusammenarbeit mit GlycoMimetics Inc. verdeutlicht das therapeutische Potenzial dieser Forschungsrichtung, für deren Bearbeitung das Departement für Pharmazeutische Wissenschaften ein optimales Umfeld bietet.

Verbreitete Erbkrankheit

Sichelzellenanämie ist eine verbreitete Erbkrankheit mit erheblicher Mortalität. Ihre Ursache ist eine Mutation der Beta-Untereinheit des Hämoglobins. Die betroffenen roten Blutkörperchen verformen sich insbesondere bei Sauerstoffarmut sichelförmig und verstopfen die Kapillargefässe. Das führt zu wiederkehrenden Durchblutungsstörungen, die mit starken Schmerzen und mehrfachen Organschäden (Milzschwellung, Lungenentzündung, Herz- und Nierenversagen) verbunden sind.

Die Phase-I-Studie mit gesunden Probanden konnte im September 2009 erfolgreich abgeschlossen werden. In der Phase II werden nun in einer randomisierten Doppelblindstudie Wirkung, Sicherheit und alle Prozesse, denen ein Arzneistoff im Körper unterliegt, von GMI-1070 an hospitalisierten Sichelzellenanämiepatienten untersucht. Die Multizentren-Studie wird an US- und kanadischen Kliniken durchgeführt. GMI-1070 hat in vorklinischen Studien ein hohes Potenzial für die Behandlung der Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie bewiesen.

Externer Link: www.unibas.ch