Presseaussendung der TU Wien vom 16.05.2022

Forschende der TU Wien haben ein Zugprüfverfahren entwickelt, das für die mechanische Zugprüfung von Mikro- und Nanofasern geeignet ist. Das Besondere: Die Proben können reversibel an den Kraftsensor an- und abgekoppelt werden.

Möchte man die Steifigkeit oder Zugfestigkeit von Fasern im Nano- bis Mikrobereich testen, ist dies meist sehr aufwändig, denn die Proben müssen an beiden Seiten mit Klebstoff fixiert werden. Einerseits kostet die Trocknung des Klebstoffes Zeit, andererseits lässt sich der Sensor, an den die Faser angeklebt wird, nicht wiederverwenden.

Den TU-Forschern Mathis Nalbach, Philipp Thurner und Georg Schitter ist es nun gelungen, ein Testsystem zu entwickeln, das ebendiese Hürden überwindet. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Eine magnetische Kugel, die an die Nanofaser angebracht wird, lässt sich mit einer magnetischen Pinzette aufgreifen. So kann die Kugel in die an einen Kraftsensor angebrachten Gabel eingelegt und dadurch an den Sensor angekoppelt werden. Da sich die magnetische Kugel mittels der magnetischen Pinzette auch wieder aus der Gabel entfernen lässt, kann man umgehend eine weitere Nanofaser aufgreifen. Dadurch wird der Probendurchsatz signifikant erhöht. Das zum Patent angemeldete Zugprüfgerät „NanoTens“ stellten die Forschenden jüngst in der Zeitschrift „Review of Scientific Instruments“ vor.

An die Realbedingungen angepasst

Während man mit dem Rasterkraftmikroskop die mechanischen Eigenschaften einer Faser durch eine Nano-Eindringprüfung untersuchen kann, ermöglicht der NanoTens die Materialprüfung unter der für Fasern bedeutsameren mechanischen Belastung, der Zugbelastung. Philipp Thurner vom Forschungsbereich Biomechanik erklärt dies wie folgt: „Man kann sich die Vorrichtung wie einen mikroskopischen Gabelstapler vorstellen. Die magnetische Kugel, die an die Faser angeklebt wird, wird in die Gabel des Gabelstaplers eingelegt. Durch eine Auf- bzw. Abbewegung der Gabel kann man die Faser nun unter Zugbelastung testen. Diese Belastungsart ist vor allem für biologische Fasern wie z. B. Kollagenfibrillen relevant. Diese werden physiologisch hauptsächlich unter Zug belastet, und daher sind die mechanischen Eigenschaften unter eben dieser Belastung besonders relevant.“

Die Biomechaniker Nalbach und Thurner untersuchen zumeist natürliche Fasern wie Kollagen. Da deren mechanischen Eigenschaften stark von äußeren Bedingungen abhängen, ist es wichtig, diese auch bei der Zugprüfung zu berücksichtigen. „Dies gelingt uns, da mit dem NanoTens Zugversuche in unterschiedlichen Medien durchgeführt werden können. Eine trockene Kollagenfaser ist beispielsweise viel spröder und steifer als eine feuchte. Auch nimmt ihr Durchmesser signifikant ab, wenn sie ausgetrocknet wird“, sagt Mathis Nalbach, Erstautor der Studie.

Qualität und Quantität steigen

Den Forschenden gelingt es mit ihrer Methode nicht nur, physiologische Bedingungen zu simulieren, auch gewinnen die mit NanoTens generierten Ergebnisse an Validität. Denn um aussagekräftige Ergebnisse über biologische Materialien wie Kollagenfibrillen zu erhalten, bedarf es einer Vielzahl von Messungen. „Herkömmliche Verfahren erlauben uns nur, ein bis zwei Proben pro Woche zu untersuchen. Das macht es quasi unmöglich, statistisch aussagekräftige Studien durchzuführen“, schildert Nalbach das Problem. Philipp Thurner ergänzt: „Die neue Methode erlaubt ein schnelles An- und Abkoppeln der Fasern. Dadurch – und da der Sensor wiederverwendet wird – können wir nicht nur die Anzahl der Zugversuche auf bis zu 50 Messungen pro Woche, sondern auch die Präzision der Messung erhöhen.“

Die Zugversuche können – je nach Wahl – über einen großen Kraftbereich und zudem über eine Regelung auch kraftkontrolliert durchgeführt werden. Dies ist wichtig, da Zugprüfverfahren normalerweise davon ausgehen, dass das Material linear elastische Eigenschaften hat. Bei biologischen Geweben, wie beispielsweise Kollagenfibrillen, ist das jedoch nicht der Fall: Sie sind viskoelastisch. Durch kraftkontrollierte Zugversuche wird die Untersuchung eben dieser Viskoelastizität ermöglicht.

Von der Erfindung zum Produkt

NanoTens wurde bereits von der TU Wien international zum Patent angemeldet. Auch die Machbarkeit der Methode konnte nachgewiesen werden (TRL 6), wie in der Studie von Nalbach et al. nachzulesen ist. „Der nächste Schritt wäre, sich mit industriellen Partnern zusammenzuschließen. Wir hoffen, mit Hilfe des Forschungs- und Transfersupports eine_n Lizenznehmer_in zu finden. Wir sind an Kooperationen mit der Industrie zu diesem Thema interessiert“, sagt Mathis Nalbach. NanoTens ist dabei so konstruiert, dass es sich generell in jedes Eindrucksmessgerät oder auch Rasterkraftmikroskop integrieren lässt. Neben der Materialwissenschaft findet die Zugprüfung auch – unter anderem – in den Biowissenschaften, der Halbleitertechnik sowie der Elektronik Anwendung. (Sarah Link)

Externer Link: www.tuwien.at

Pressemeldung der JKU Linz vom 25.04.2022

AOS ist ein spezielles Bildgebungsverfahren, bei dem bei Drohnen-Luftaufnahmen die Verdeckung (z.B. ein Blätterdach im Wald) in Echtzeit weggerechnet werden kann. Nun wurde das System neuerlich verbessert. Beim AOS werden aus der Luft (z.B. mittels Kamera-Drohne) mehrere Einzelaufnahmen von unterschiedlichen Positionen aufgenommen und rechnerisch so kombiniert, dass verdeckende Bewaldung aus dem Bildmaterial von der Software entfernt wird.

Potenzielle Anwendungen findet AOS z.B. in der Wildbeobachtungen, für Such- und Rettungseinsätze von vermissten Personen in Waldgebieten oder für das Aufspüren von Waldbränden und Glutnestern. Bisher gab es ein Problem: Es war nur für unbewegte Objekte verwendbar. Sowohl vermisste Menschen als auch Wild neigen natürlich dazu, sich zu bewegen. Bisher war es mit keiner Technologie möglich, solche bewegliche Objekte zu erkennen oder gar zu verfolgen – auch mit AOS nicht, da der sequentielle Aufnahmeprozess der Einzelbilder, die zum Wegrechnen des Waldes nötig waren, deutlich mehr Zeit in Anspruch nahm als die Bewegung einer Person, Tiers, oder Fahrzeug. Vor allem sich schnell bewegende Objekte gehen – ähnlich wie bei Langzeitbelichtungen – in den Ergebnisbildern durch Bewegungsunschärfe unter.

Ein neuer Drohnenprototyp, der in Zusammenarbeit der JKU Institute für Computergrafik (Leitung: Prof. Oliver Bimber) und Konstruktiven Leichtbau (Leitung: Prof. Martin Schagerl) entwickelt wurde, stellt nun weltweit die allererste Möglichkeit dar, bewegte Objekte unter dichter Bewaldung zu finden und in Echtzeit zu verfolgen. Auch wenn es seit einigen Jahren internationale Anstrengungen in diese Richtung gibt, galt „through-foilage tracking“ unter realistischen Bedingungen bisher als weitgehend ungelöstes Problem.

Der Clou des neue Drohnenprototyps ist ein fast 10 Meter langer Ausleger aus Carbon, der mit 10 Kameras bestückt ist, die gleichzeitig Bilder aufnehmen. Die rechnerische Kombination dieser Aufnahmen über die große Synthetische Apertur des Auslegers ermöglicht das Wegrechnen der Verdeckung in der Geschwindigkeit der Kameraaufnahmen – also in Echtzeit. In ersten Experimenten erkennt ein Farbanomalie-Detektor Personen und verfolgt diese durch den Wald.

Erste Ergebnisse wurden nun im Science Partner Journal of Remote Sensing veröffentlicht, und zeigen nicht nur, dass „through-foilage tracking“ realistisch möglich ist, sondern auch, dass Anomaliedetektion, die häufig auch bei der automatisierten Bildsuche für Such- und Rettungsaktionen Anwendung findet, durch AOS stark verbessert wird. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Presseaussendung der TU Wien vom 17.01.2022

Die Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen lassen sich mit winzigen schwingenden Plättchen messen. An der TU Wien entwickelte man dafür nun eine Berechnungsmethode.

Mikromechanische Sensoren verbinden zwei verschiedene Welten miteinander: Auf der einen Seite die Welt der Elektronik und der digitalen Signale, auf der anderen Seite die physisch greifbarere Welt der Mechanik. Den Zusammenhang zwischen diesen Gebieten zu beschreiben ist oft nicht einfach, und so fehlte bisher ein umfassendes Modell, mit dem man winzige Platten oder Balken exakt beschreiben kann, die durch elektrische Effekte zum Schwingen gebracht werden. An der TU Wien gelang es nun, ein solches Modell zu entwickeln – in hervorragender Übereinstimmung mit Messergebnissen. Das ermöglicht nun winzige Sensoren, mit denen man die Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen präzise und einfach messen kann.

Flüssigkeiten charakterisieren mit schwingenden Mikro-Platten

Das Schwingungsverhalten der Mikrostrukturen hängt ganz wesentlich von zwei Faktoren ab: Erstens von ihrer Geometrie und zweitens von ihrer Umgebung: Befindet sich die Mikrostruktur etwa in einer zähen Flüssigkeit, dann wird die Schwingung gedämpft und die Schwingungsfrequenz verändert sich.

„Auf diese Weise kann man Veränderungen der Umgebung sehr schnell detektieren“, erklärt Ulrich Schmid. „So könnte man zum Beispiel durch einen mikroelektromechanischen Sensor in einem Ölbehälter überwachen, ob das Öl noch immer die passende Viskosität hat, oder ob es durch Alterung seine Eigenschaften verändert hat und ausgetauscht werden muss.“

Wenn man allerdings das Schwingungsverhalten dieser winzigen Strukturen berechnen möchte, stößt man auf eine Reihe von Schwierigkeiten: Zwar gibt es Rechenmodelle, um die Schwingung von kleinen Balken oder Platten zu beschreiben, allerdings muss diese Schwingung rechnerisch mit dem Verhalten der umgebenden Flüssigkeit oder des umgebenden Gases gekoppelt werden – man muss also Schwingungsmechanik und Fluiddynamik miteinander verbinden.

„Das ist numerisch aufwändig, auch deshalb, weil man es hier mit unterschiedlichen Größenskalen zu tun hat“, sagt André Gesing. „Der Durchmesser der schwingenden Strukturen liegt im Milli- bis Mikrometerbereich, die Amplitude der Schwingungen hingegen im Nanometerbereich. Dieser Unterschied von mehr als drei Größenordnungen ist der Grund, dass herkömmliche Finite-Elemente-Methoden, wie man sie in vielen anderen Forschungsbereichen für die Analyse von Schwingungen einsetzt, hier schnell an ihre Grenzen kommen.“

Neues Modell: vielseitig und präzise

Nun ist es André Gesing, Daniel Platz und Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien gelungen, eine Methode zu entwickeln, die all diese Schwierigkeiten meistert, und noch dazu viel umfassender ist als bisherige Modelle: „Damit kann man Mikrostrukturen unterschiedlicher Form und Größe analysieren, mit unterschiedlich starken Dämpfungen“, sagt Daniel Platz. So lässt sich nun auch vorhersagen, welche Strukturen für welchen Anwendungsfall am vielversprechendsten sind. Experimente zeigen: Das neue Rechenmodell stimmt mit den gemessenen Daten ausgezeichnet überein.

Wichtig sind diese Erkenntnisse nicht nur für die Herstellung von Sensoren, sondern auch für die Rasterkraftmikroskopie: Dort wird die Schwingung extrem feiner Nadeln gemessen um Information über eine Oberfläche zu erhalten, die Punkt für Punkt abgebildet werden soll. Das neue Modell soll nun auch helfen, neue Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie zu entwickeln, insbesondere für die Untersuchung von biologischen Proben in Flüssigkeiten. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) von hydraulischen Komponenten. Mikrosensoren können direkt in solche Komponenten integriert werden und so kontinuierlich Daten zur Ölqualität liefern. Auf diese Weise kann man Systemausfälle frühzeitig verhindern und die wartungsbedingte Standzeit minimieren.

„Diese grundlegenden Erkenntnisse, die wir nun gewonnen haben, sind die Basis für die weiteren Ziele, die wir nun verfolgen: Wir wollen nun mikromechanische Sensoren verbessern und ihr Anwendungspotenzial vergrößern“, sagt Daniel Platz. Dabei wird es nicht nur um die Interaktion zwischen der Struktur und den umgebenden Fluiden gehen, sondern auch um die Frage, wie man andere Energieverlustmechanismen auf ein Minimum reduzieren kann. „Auf Basis dieser Untersuchungen wollen wir mikromechanische Sensoren mit sehr hohen Gütefaktoren entwickeln, wie sie zum Beispiel in der Quantensensorik verwendet werden“, sagt Daniel Platz. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Gesing, D. Platz, U. Schmid, A numerical method to determine the displacement spectrum of micro-plates in viscous fluids, Computers&Structures, 260, 106716 (2022).

Externer Link: www.tuwien.at

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 16.12.2021

Experimente von Forschenden der Uni Kassel könnten die Diagnostik von Krankheiten mithilfe von Lab-on-a-Chip-Technologien verbessern: Für den Transport von zu untersuchenden Biomolekülen (Analyte) zwischen den verschiedenen Reaktions- und Analysekammern haben sie sogenannte Janus-Partikel gezielt gesteuert.

In Lab-on-a-Chip-Systemen laufen komplexe chemische Prozesse auf geringstem Raum ab. Analog zu großen Apparaturen in Laboren befinden sich auf nur plastikkartengroßen Kunststoffsubstraten Kanäle, Pumpen, Ventile und Messkammern von der Dicke eines menschlichen Haares. Eine Probe, z.B. ein Tropfen Blut, läuft darin vorbei an Sensoren, die die chemischen Bestandteile der Probe analysieren. Die Sensoren übersetzen diese wiederum in elektrische Signale zur Auswertung. Solche Systeme werden bereits zur Diagnostik eingesetzt, beispielsweise in Blutzuckermessgeräten oder Schwangerschaftstests. Die Technik bietet aber noch viel Entwicklungspotenzial.

Das Fachgebiet funktionale dünne Schichten und Physik mit Synchrotronstrahlung der Universität Kassel (Prof. Dr. Arno Ehresmann) erforscht seit etwa zehn Jahren Technologien, die spezifische Biomoleküle (z.B. nachzuweisende Analyte) in Lab-on-a-Chip-Systemen mithilfe von magnetischen Mikro- und Nanoteilchen gezielt durch die Reaktions- und Analysekammern transportieren können. Sie haben jetzt eine Methode entwickelt, die die Kontrolle über diese Bewegungen deutlich verbessert und den Transport beschleunigt. Ihre Ergebnisse haben sie nun im Fachjournal Scientific Reports veröffentlicht.

Die Experimentalphysiker haben sogenannte Janus-Partikel hergestellt, die zwei Seiten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften besitzen: Siliziumdioxid-Kugeln von drei Mikrometern Durchmesser mit einer magnetischen Metall-Kappe, die die Kugel zur Hälfte bedeckt. „An der einen Seite der Kugel binden zum Beispiel Moleküle aus der Probe, die analysiert werden sollen, und die magnetische Metallkappe auf der anderen Seite dient zur Bewegungskontrolle durch externe Magnetfelder“, erklärt Erstautor Rico Huhnstock.

Die zweite Komponente ist ein magnetisches Dünnschichtsubstrat, welches in unterschiedlich magnetisierte Streifensegmente mikrostrukturiert wurde und damit die zur Bewegung der Partikel notwendigen mikroskaligen Magnetfelder erzeugt. Indem die Forschenden nun äußere Magnetfelder anlegen und deren Richtungen periodisch ändern, bewegen sie die sich daran ausrichtenden magnetischen Janus-Partikel in einer wässrigen Lösung über das Substrat. Die Anordnung bietet darüber hinaus die Möglichkeit, die Partikel gezielt räumlich rotieren zu lassen. „Durch die Rotationsbewegung der Kugeln wird die Haftwahrscheinlichkeit der Analyte an den Partikeln deutlich erhöht. Das ist besonders dann ein großer Vorteil, wenn die Analyte in nur sehr geringer Konzentration vorliegen. Gleichzeitig können wir die Partikel wiederum durch Rotation über bestimmten Analysekammern genauer ausrichten“, beschreibt Huhnstock. So lassen sich die zu untersuchenden Moleküle deutlich sensitiver nachweisen.

Darüber hinaus benötigt diese Methode weniger Strom als bisherige Systeme und ermöglicht eine schnellere Durchsatzgeschwindigkeit der Proben. Die Janus-Partikel bewegen sich mit bis zu 200 Mikrometer pro Sekunde, etwa zehnmal schneller als in gängigen Systemen. Das ergab die Auswertung der Partikelbewegung durch Informatiker des Fachgebiets für Intelligente Eingebettete Systeme (Prof. Dr. Bernhard Sick) an der Uni Kassel. „Mit unseren Ergebnissen aus der Grundlagenforschung lassen sich langfristig Schnellnachweise mit Lab-on-a-Chip-Technologien realisieren, die kostensparend Biomoleküle zum Beispiel als Nachweis für bestimmte Krankheiten detektieren können, ohne auf Technik und Personal in einem Labor angewiesen zu sein“, so Huhnstock.

Publikation:
Huhnstock, R., Reginka, M., Tomita, A. et al. Translatory and rotatory motion of exchange-bias capped Janus particles controlled by dynamic magnetic field landscapes. Sci Rep 11, 21794 (2021).

Externer Link: www.uni-kassel.de