Archiv der Kategorie: Hochschule

Blinker und Bremslicht fürs Fahrrad

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Pressemitteilung der HAW Landshut vom 31.01.2018

Ein Projekt der Hochschule Landshut könnte das Radfahren im Stadtverkehr sicherer machen.

Im Projekt „Smart Foil Display“ entwickelten Studierende der Hochschule Landshut ein System, über das Fahrradfahrer blinken können. Auch an ein Bremslicht haben die Studierenden gedacht. „Die Entwicklung eignet sich besonders für die Dämmerung, wenn Handzeichen nicht gut zu sehen sind“, erklärt Prof. Dr. Artem Ivanov von der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen, der die Arbeiten betreut hat.

Die Steuerelektronik ist in den Fahrradlenker eingebaut. Die beiden Elektrotechnik-Studenten Markus Brandl und Markus Kollmansberger haben sie entwickelt und zusammengebaut. Über einen kleinen Schalter, ähnlich wie an einem Roller, kann der Fahrradfahrer den Blinker nach links oder rechts setzen. Auf seinem Rucksack leuchtet dann ein blauer Pfeil auf: „Im Rucksack ist ein Elektrolumineszenz-Display, kurz ELD, integriert“, erklärt Ivanov. Die Elektronik in der Lenkerstange gibt Signale via Bluetooth an das ELD weiter. Ist der Blinker gesetzt, zeigt ein blauer Pfeil auf dem Rucksack an, in welche Richtung der Fahrradfahrer abbiegen wird. Und wenn er bremst, leuchtet auf dem Rucksack der Schriftzug „BRAKE“ auf.

Elektronik im Lenker, Display auf dem Rucksack

Die Steuerung funktioniert auch über das Smartphone: Carmen Ströber, die Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule Landshut studiert, hat dafür eine App entwickelt. Darin lässt sich zusätzlich zu Verkehrssignalen auch ein beliebiger Text eingeben, der dann über das Display läuft. „Über die App könnten auch Skater blinken und Bremslicht zeigen“, erklärt Prof. Dr. Petra Tippmann-Krayer, die diesen Teil der Arbeit betreut hat.

Das Display selbst besteht aus einer biegsamen Trägerfolie, auf die elektrische und isolierende Schichten im Siebdruckverfahren aufgedruckt sind. Maximilian Ott, der Internationales Wirtschaftsingenieurwesen studiert, hat die Folien-Displays gemeinsam mit dem Labormeister Gerhard Sattelberger hergestellt. Elektrische Spannung sorgt dafür, dass Pfeile und Schriften auf den Folien leuchten. Dafür wird eine elektrische Schalterplatte auf die Rückseite des Displays befestigt und angeschlossen – ebenfalls eigens in den Landshuter Laboren hergestellt. „Die Rückseite haben wir noch mit Polyurethan vergossen“, erklärt Ivanov. „Das schützt die Elektronik vor Wasser und mechanischen Belastungen.“

Eine Serienproduktion ist derzeit nicht geplant. Doch Ivanov und Tippmann-Krayer haben die Entwicklungen beim Wettbewerb der Organic and Printed Electronic Association eingereicht.

Externer Link: www.haw-landshut.de

Maschinelles Lernen im Quantenlabor

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 19.01.2018

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von Menschen erdacht. Das könnte sich bald ändern. Innsbrucker Quantenphysiker um Hans Briegel beschäftigen sich unter anderem mit der grundsätzlichen Frage, inwieweit Maschinen selbstständig experimentieren können. Dazu nutzen die Physiker ein von der Gruppe entwickeltes Modell für künstliche Intelligenz, das einer Maschine einfache Formen kreativen Verhaltens ermöglichen soll. Das Gedächtnis dieser autonomen Maschine speichert viele einzelne Erfahrungsfragmente, die netzwerkartig miteinander verbunden sind. Ist die Maschine mit einem bestimmten Ereignis konfrontiert, werden in einer Zufallsbewegung damit zusammenhängende Erinnerungen abgerufen. Sowohl aus Erfolg als auch aus Misserfolg lernt die Maschine und passt ihr Netzwerk entsprechend an. Gleichzeitig kann sie selbst neue Szenarien erzeugen und diese ausprobieren.

Nun haben sich die Innsbrucker Physiker mit Wienern Kollegen um Anton Zeilinger zusammengetan. Diese haben zuvor schon die Nützlichkeit von automatisiertem Design von Quantenexperimenten zeigen können mithilfe des Algorithmus Melvin, wobei einige dieser computer-inspirierten Experimente auch schon in den Labors von Zeilinger umgesetzt wurden. Durch die Anwendung des Lernmodells der Projektiven Simulation konnten die Wissenschaftler nun gemeinsam zeigen, dass diese Umgebung ideal dafür geeignet ist, das Potential maschinellen Lernens in Quantenexperimenten zu untersuchen. In einer in den amerikanischen Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlichten Arbeit präsentieren die Forscher erste Ergebnisse.

Computer entwirft optimierte Quantenexperimente

Am Anfang steht ein leerer Labortisch für photonische Quantenexperimente. Der künstliche Agent versucht nun neue Experimente zu entwickeln, indem er Spiegel, Prismen oder Strahlteiler virtuell auf dem Tisch anbringt. Führen seine Aktionen zu einem sinnvollen Ergebnis, merkt der Agent sich das und greift bei späteren Versuchen wieder darauf zurück. „Dieses bestärkende Lernen unterscheidet unser Modell von einer automatischen Suche, die immer durch ein zufälliges Verhalten gesteuert ist“, erklärt Alexey Melnikov vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Der künstliche Agent führt auf dem virtuellen Labortisch Zehntausende von Experimenten durch. Wenn wir im Gedächtnis der Maschine die Ergebnisse analysieren, sehen wir, dass sich bestimmte Strukturen entwickelt haben“, erklärt sein Kollege Hendrik Poulsen Nautrup. Einige dieser Strukturen sind den Physikern bereits als nützliche Werkzeuge aus modernen quantenoptischen Labors bekannt. Andere sind völlig neu und könnten in Zukunft im Labor zum Einsatz kommen. „Während die automatische Suche mit jeder Lösung zufrieden ist, sucht die intelligente Maschine immer den besten Weg, wie etwas umgesetzt werden kann, und generiert so optimierte Experimente“, verdeutlicht Alexey Melnikov. „Und manchmal liefert sie auch Antworten auf Fragen, die wir gar nicht gestellt haben.“

Kreative Unterstützung im Labor

In Zukunft wollen die Wissenschaftler das lernfähige Programm noch weiter ausbauen. Zurzeit ist die Maschine noch darauf getrimmt, einzelne Probleme selbstständig zu lösen. Aber damit ist sie weiterhin nur ein Werkzeug, das von Wissenschaftlern gezielt eingesetzt werden muss. Kann eine Maschine aber auch mehr als nur ein Werkzeug sein? Wird die Maschine der Zukunft eine kreativere Rolle an der Seite des Wissenschaftlers spielen? Dies sind die Fragen, die sich die Wissenschaftler stellen und nur die Zukunft wird zeigen, welche Rolle die künstliche Intelligenz tatsächlich im Labor spielen wird.

Die Arbeit wurde unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Templeton World Charity Foundation finanziell unterstützt.

Publikation:
Active learning machine learns to create new quantum experiments. Alexey A. Melnikov, Hendrik Poulsen Nautrup, Mario Krenn, Vedran Dunjko, Markus Tiersch, Anton Zeilinger, and Hans J. Briegel. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018 DOI: 10.1073/pnas.1714936115 (arXiv: 1706.00868)

Externer Link: www.uibk.ac.at

Komplexe Parkettmuster – erstaunliche Materialien

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.01.2018

Einfache organische Moleküle bilden komplexe Materialien durch Selbstorganisation – Veröffentlichung in Nature Chemistry

Parkett kennt man aus dem Wohnzimmer. Aber auch Materialien können eine mikrostrukturierte Parkettierung aufweisen. Diese können etwa für außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit sorgen. Solche Strukturen gezielt zu erzeugen, bedarf großer molekularer Bausteine, die meist nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind. Im Fachmagazin Nature Chemistry erklären Forscher des KIT und der TUM nun, wie Moleküle selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Das Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen Reaktionsweg entdeckt, der aus einfachen zweidimensionalen Netzwerken exotische Schichten mit halbregulärer Struktur erzeugt. Solche Materialien sind interessant, weil sie häufig außerordentliche Eigenschaften besitzen. Bei dem Verfahren verbinden sich einfachere organische Moleküle zu größeren Bausteinen, die komplexe, halbreguläre Muster erzeugen.

Um eine Fläche mit gleichförmigen Kacheln lückenlos zu pflastern, kommen nur wenige geometrische Grundformen in Frage: Dreiecke, Vierecke und Sechsecke. Mit zwei oder mehr Kachelformen lassen sich wesentlich mehr und deutlich komplexere Muster erzeugen, die immer noch regelmäßig sind, die sogenannten Archimedischen Parkettierungen.

Auch Materialien können eine solche Parkettierung aufweisen und weisen dann häufig ganz besondere und erstrebenswerte Eigenschaften auf, zum Beispiel außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit. Doch es ist schwierig, solche Strukturen gezielt zu erzeugen. Dafür sind große molekulare Bausteine nötig, die nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind.

Komplexes Parkettmuster durch Selbstorganisation

Bei einer Klasse supramolekularer Netzwerke ist nun einem internationalen Team um die Professoren Florian Klappenberger und Johannes Barth vom Lehrstuhl für Experimentalphysik an der TUM sowie Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie ein Durchbruch gelungen: Sie brachten organische Moleküle dazu, sich zu größeren Bausteinen zu verbinden, die selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Als Ausgangsverbindung nutzten sie Ethynyl-Iodophenanthren, ein handliches organisches Molekül aus drei aneinandergekoppelten Kohlenstoffringen, das ein Iod- und ein Alkin-Ende besitzt. Auf einem Silbersubstrat bildet dieses Molekül zunächst ein regelmäßiges Netz mit großen sechseckigen Maschen. Eine Wärmebehandlung setzt dann eine Abfolge chemischer Prozesse in Gang, die einen neuartigen, deutlich größeren Baustein erzeugen, der dann quasi automatisch und selbstorganisiert eine komplexe Schicht mit kleinen sechs-, vier- und dreieckigen Poren bildet. Dieses Muster wird in der Sprache der Geometrie als semireguläre 3.4.6.4 Parkettierung bezeichnet.

Die Arbeitsgruppe von Mario Ruben am Institut für Nanotechnologie des KIT war im Projekt für die maßgeschneiderte, zielgerichtete Synthese und Charakterisierung von mehrkernigen Molekülkomplexen verantwortlich, die als Bausteine des Parketts dienen. „Wir haben einen völlig neuen Weg entdeckt, um komplexe Materialien aus einfachen organischen Bausteinen herzustellen“, fassen Klappenberger und Ruben zusammen. „Das ist wichtig, um Materialien mit neuen und extremen Eigenschaften gezielt synthetisieren zu können. Außerdem tragen diese Ergebnisse dazu bei, ein spontanes Auftauchen – der Emergenz – von Komplexität in chemischen und biologischen Systemen besser zu verstehen.“

Die an der TUM durchgeführten Rastertunnelmikroskopie-Messungen zeigen deutlich, dass am Molekülumbau viele Reaktionen beteiligt sind, was normalerweise zu zahlreichen Abfallprodukten führt. Im neuen Prozess werden Abfallprodukte wiederverwendet, so dass der Gesamtprozess in einer hohen Atomökonomie zum gewünschten Endprodukt führt. Wie es dazu kommt, fanden die Forscher durch weitere Experimente heraus.

Mit Hilfe röntgenspektroskopischer Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin konnte entschlüsselt werden, wie sich Iod vom Ausgangsstoff abspaltet, Wasserstoffatome zu neuen Plätzen wandern und die Alkin-Gruppen ein Silber-Atom einfangen. Mit Hilfe des Silber-Atoms binden sich in der Folge zwei Ausgangsbausteine zu einem neuen, größeren Baustein aneinander. Die neuen Bausteine bilden anschließend die beobachtete komplexe Porenstruktur.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics sowie des Schwerpunktprogramms SPP 1459, des Transregio TRR 88 3Met C5 und des DFG Projekts KL 2294/3) und des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt). Die Synthese und Charakterisierung der Moleküle wurden in der Karlsruhe Nano Micro Facility durchgeführt. (aba/kes)

Publikation:
Yi-Qi Zhang, Mateusz Paszkiewicz, Ping Du, Liding Zhang, Tao Lin, Zhi Chen, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben, Ari P. Seitsonen, Johannes V. Barth, and Florian Klappenberger: Complex supramolecular interfacial tessellation through convergent multistep reaction of a dissymmetric simple organic precursor, Nature Chemistry 2017. DOI: 10.1038/nchem.2924

Externer Link: www.kit.edu

TU Wien optimiert chemische Wärmespeicher

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Presseaussendung der TU Wien vom 17.01.2018

Energie chemisch speichern und wieder freisetzen – dieses vielversprechende Konzept wird an der TU Wien erforscht. Nun gelang ein wichtiger Schritt auf der Suche nach dem passenden Material.

Das Grundprinzip kennt man schon aus der Antike: Schon damals wurde Kalk gebrannt und gelöscht. Man führt dem Kalkstein im Brennofen Energie zu und löst dadurch eine chemische Reaktion aus. Das Produkt ist Branntkalk, in dem ein Teil der zugeführten Energie gespeichert bleibt, bis man ihn mit Wasser ablöscht. Dabei entsteht Löschkalk, und die Energie wird in Form von Hitze wieder abgegeben.

Ganz ähnliche Möglichkeiten des chemischen Energiespeicherns untersucht man an der TU Wien. Ein wichtiger Durchbruch gelang jetzt auf dem Weg zum Magnesium-Wärmespeicher: Mit quantenchemischen Rechnungen, aufwändigen Experimenten und hochentwickelter Analysetechnik fand man das optimale Magnesium-basierte Speichermaterial: Aus einer speziellen Mischung aus Magnesium und Calcium lässt sich eine Struktur herstellen, die sich bestens als Wärmespeicher für Industrieanlagen eignet.

Eine Frage des Materials

„Wir haben uns in den letzten Jahren intensiv mit der Frage beschäftigt, welche Materialien und welche chemischen Reaktionen sich am besten zum Speichern von Abwärme eignen“, sagt Peter Weinberger vom Institut für Angewandte Synthesechemie der TU Wien. Welcher chemische Speicher sinnvoll ist, hängt ganz entscheidend von der verfügbaren Temperatur ab: Das wohlbekannte Kalkbrennen etwa funktioniert nur bei sehr hohen Temperaturen. Für Abwärme mit einer Temperatur von unter 400°C, wie sie in der Industrie oft anfällt, braucht man andere Reaktionen.

„Man hat daher schon längere Zeit mit Magnesiumoxid experimentiert – allerdings mit recht gemischtem Erfolg“, berichtet Weinberger. „Magnesiumoxid reagiert zwar genau im richtigen Temperaturbereich, aber wie sich herausstellte, ist es sehr schwer, die Reaktion vollständig ablaufen zu lassen.“ Das liegt an recht komplizierten Prozessen auf mikroskopischer Skala. So können sich etwa winzige Partikel bilden, die nur an ihrer Oberfläche chemische Reaktionen erlauben, während ihr Inneres abgeschirmt bleibt. Auch die genaue Form der Kristallstruktur, die das Magnesiumoxid ausbildet, spielt eine wichtige Rolle für die Effizienz der Reaktion.

Doch wie kann man die Eigenschaften von Magnesiumoxid grundlegend verbessern? Um dieses Problem zu lösen, musste die Expertise mehrerer Arbeitsgruppen gebündelt werden: „Ursprünglich entstand das Projekt bei unseren Kollegen an der Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften, im Team von Prof. Andreas Werner“, sagt Peter Weinberger. „Entscheidende Ideen kamen zunächst von meinem Postdoc Danny Müller, und bald waren alle vier Chemie-Institute der TU Wien bei dem Projekt dabei, dazu kam noch unser Röntgenzentrum. Das ist sehr ungewöhnlich, war aber die einzige Chance, einem so schwierigen Problem auf den Grund zu gehen.“

Die perfekte Mischung

Computersimulationen ergaben, dass die Effizienz des Prozesses vom Abstand zwischen den einzelnen Atomen abhängt: Die Magnesium-Atome im Magnesium-Oxid sitzen einfach ein bisschen zu nahe beisammen. Dadurch gelingt es ihnen nicht optimal, beim Löschen die Wassermoleküle zu spalten. Da sich die fundamentalen Eigenschaften eines Atoms nicht ändern lassen, blieb nur eine Alternative: Man fügte Fremdatome in das Magnesium-Oxid ein.

„Quantenchemische Berechnungen sagten voraus, dass ein Beimischen von 10% Calcium optimal sein sollte, sofern es gelingt, Magnesium und Calcium auf atomarer Ebene gründlich durchzumischen – das hätte man eigentlich nicht erwartet“, sagt Peter Weinberger. Doch man versuchte es und hatte tatsächlich Erfolg: In genau der richtigen Mischung lassen sich tatsächlich 100% des Magnesium- und Calcium-Oxids chemisch umsetzen – und zwar auf reversible Weise, sodass der Prozess in vielen Zyklen immer und immer wieder ablaufen kann.

Nun soll dieser Prozess verfahrenstechnisch weiter verbessert werden. „Bis die Idee in der Industrie eingesetzt wird, müssen wir noch klären, wie man optimale Reaktoren baut und der Prozess möglichst effizient und kostengünstig abläuft. Aber wir wissen nun, dass die Grundidee funktioniert“, sagt Peter Weinberger. Weitere Versuchsanlagen sind an der TU Wien bereits in Planung. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Müller et al., Adv. Sustainable Syst. 2018, 2, 1700096

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Bei Zuckermangel in der Zelle leben Boten-RNAs länger

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.01.2018

Leidet eine Zelle unter Zuckermangel, speichert sie bestimmte Boten-RNAs, um so ihr Leben zu verlängern. Wie eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel nun herausfand, entscheidet das Protein Puf5p bei Zuckermangel in der Zelle darüber, ob eine Boten-RNA aufbewahrt oder abgebaut wird. Wie die in eLife veröffentlichte Studie zeigt, schickt das Protein die Boten-RNAs dazu in eine Zellorganelle, wo ihr Schicksal besiegelt wird.

Ist eine Zelle Stress ausgesetzt, sei es durch Mangel an Nährstoffen oder einem Zuviel an Spurenelementen, reagiert die Zelle unmittelbar darauf, um ihr Überleben zu sichern. Die Forschungsgruppe von Prof. Anne Spang am Biozentrum der Universität Basel hat nun untersucht, wie sich unterschiedlichen Stresssituation auf Prozesse in der Zelle auswirken.

Das Team fand heraus, dass sogenannte P-Bodies, kleine Zellorganellen, dabei eine wichtige Funktion übernehmen: Sie bauen nicht nur – wie bislang angenommen – die Boten-RNAs (mRNAs) ab, die in der jeweiligen Stresssituation für die Zelle unbrauchbar sind. Sie sorgen im Gegenzug ebenfalls dafür, dass Boten-RNAs, die für die jeweilige Stresssituation von Nutzen sind, gespeichert werden. Als mobile Träger von Erbinformationen sind mRNAs in der Zelle Vorlage für die Produktion lebenswichtiger Proteine. Mit Puf5p fand das Forschungsteam zudem genau das Protein, das die Entscheidung über das Schicksal der mRNAs fällt.

Protein entscheidet über das Schicksal von mRNAs

Spang und ihr Team haben am Beispiel der Hefezelle untersucht, welche Prozesse in der Zelle bei Zuckermangel ablaufen und haben diese mit anderen Stresssituationen verglichen. Es zeigte sich, dass die P-Bodies, bei Zuckermangel vermehrt sogenannte mitochondriale mRNAs einlagern. Die Produkte der mRNAs sorgen dafür, dass der Energiestoffwechsel in den Kraftwerken der Zelle, den Mitochondrien, umgestellt wird. «Nur so lässt sich das weitere Überleben der Zelle gewährleisten», sagt Spang. Zeitgleich werden in den P-Bodies alle mRNAs abgebaut, die in dieser Mangelsituation unnötig sind. Bislang ging man davon aus, dass P-Bodies lediglich für den Abbau von mRNAs zuständig sind.

Zudem gelang es den Forschenden, den Entscheidungsträger für diese Selektion zu identifizieren: «Wir konnten zeigen, dass das Protein Puf5p im Vorfeld über das jeweilige Schicksal einer mRNA entscheidet und diese zum Ort des Geschehens, den P-Bodies, transportiert», berichtet Spang.

Bei Stress leben Zellen länger

Zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen der Vergangenheit haben gezeigt, dass sich gewisser Stress, insbesondere Nährstoffmangel, positiv auf die Lebenserwartung einer Zelle und auch auf den Menschen auswirken kann. Die Untersuchung von Spang liefert nun einen weiteren Baustein, um die genauen Prozesse, die den lebensverlängernden Prozessen zugrunde liegen, zu verstehen. «Auch die Speicherung von mRNAs in den P-Bodies bei Zuckermangel scheint für die gesamte Lebensdauer einer Zelle von Vorteil zu sein», so Spang.

Originalbeitrag:
Congwei Wang, Fabian Schmich, Sumana Srivatsa, Julie Weidner, Niko Beerenwinkel and Anne Spang
Context-dependent deposition and regulation of mRNAs in P-bodies
eLife (2018), doi: 10.7554/eLife.29815

Externer Link: www.unibas.ch