Maßgeschneiderte Spitzen für Rasterkraftmikroskope

Veröffentlicht am von

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 09.08.2016

3D-Laserlithografie verbessert Mikroskop-Komponente für die Untersuchung von Nanostrukturen in Biologie und Technik / Veröffentlichung im Fachmagazin Applied Physics Letters

Rasterkraftmikroskope machen die Nanostruktur von Oberflächen sichtbar. Ihre Sonden tasten das Untersuchungsmaterial dazu mit feinsten Messnadeln ab. Am KIT ist es nun gelungen, den Messnadeln eine maßgeschneiderte Form zu geben. So kann eine passende Messspitze für jede Messaufgabe hergestellt werden, etwa für verschiedenartige biologische Proben. Möglich macht dies die 3D-Laserlithografie, also ein 3D-Drucker für Strukturen in Nanometer-Größe. Die Fachpublikation Applied Physics Letters widmet diesem Erfolg nun ihre Titelseite. DOI: 10.1063/1.4960386

Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie ist es möglich, Oberflächen bis in die atomare Ebene hinein zu analysieren. Die bislang dafür gebräuchlichen, in Standardgrößen erhältlichen Spitzen eignen sich jedoch nicht für jeden Einsatz. Manch ein Untersuchungsobjekt erfordert eine speziell gestaltete Form oder eine besonders lange Spitze, mit der sich starke Vertiefungen im Material abtasten lassen. Wissenschaftler am KIT zeigen jetzt, wie es möglich ist, optimal an spezielle Anforderungen angepasste Sondenspitzen einfach herzustellen.

„Biologische Oberflächen, zum Beispiel die Blütenblätter von Tulpen oder Rosen, haben häufig Strukturen, die sehr tief sind und hohe Hügelchen aufweisen“, sagt Privatdozent Hendrik Hölscher, der am Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT die Arbeitsgruppe Rastersonden-Technologien leitet. Die auf dem Markt erhältlichen Spitzen seien typischerweise 15 Mikrometer – 15 Tausendstel Millimeter – hoch, pyramidenförmig und relativ breit, so der Physiker. Anders geformte Spitzen sind zwar zu kaufen, jedoch aufwendig in Handarbeit hergestellt und teuer.

Mit Hilfe der 3D-Laserlithografie ist es den Karlsruher Forschern nun gelungen, maßgeschneiderte Spitzen in beliebiger Gestalt zu formen, die einen Radius von nur 25 Nanometer – 25 Millionstel Millimeter – haben. Das Verfahren, mit dem sich jede gewünschte Form mit dem Computer gestalten und anschließend im 3D-Druck herstellen lässt, ist im makroskopischen Bereich bereits einige Zeit bekannt, auf der Nanoskala ist dieser Ansatz anspruchsvoll. Um die jeweils gewünschten dreidimensionalen Strukturen zu erhalten, nutzen die Forscher das am KIT entwickelte und von dem Unternehmen Nanoscribe – einer Ausgründung des KIT – vermarktete Verfahren der 3D-Lithografie. Sie basiert auf der Zwei-Photonen-Polymerisation: Stark fokussierte Laserimpulse lassen lichtempfindliche Materialien in den gewünschten Strukturen aushärten, die anschließend aus dem umliegenden, nicht belichteten Material herausgelöst werden. „Die Methode bietet den Vorteil, dass sich für jede Probe, die man untersuchen möchte, die perfekte Spitze herstellen lässt“, erläutert Hölscher.

Über den Nutzen des Verfahrens für die Verbesserung der Rasterkraftmikroskopie berichten die Forscher unter dem Titel „Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization“ in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters. Die in beliebiger Form herstellbaren Spitzen lassen sich auf herkömmliche handelsübliche Messnadeln aufsetzen und zeigen einen geringen Verschleiß. Sie eignen sich hervorragend für die Untersuchung von biologischen Proben, aber auch von technischen und optischen Komponenten auf der Nanoebene.

Gefördert wurde die Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, durch ein ERC Starting Grant und ein Senior Grant des Europäischen Forschungsrates, durch Mittel der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach Stiftung sowie – innerhalb des Verbundprojekts PHOIBOS – durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, außerdem wurde sie unterstützt durch die Hochtechnologieplattform „Karlsruhe Nano-Micro-Facility“ (KNMF) am KIT. (afr)

Publikation:
Gerald Göring, Philipp-Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher, Swati Sharma, Jan G. Korvink, Thomas Schimmel, Christian Koos, and Hendrik Hölscher: Tailored probes for atomic force microscopy fabricated by two-photon polymerization. Applied Physics Letters. DOI: 10.1063/1.4960386

Externer Link: www.kit.edu

technologiewerte.de – MOOCblick August 2016

Veröffentlicht am von

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Linear Algebra – Foundations to Frontiers
Maggie Myers (The University of Texas at Austin) et al.
Start: 24.08.2016 / Arbeitsaufwand: 120 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Kamerabasierte Personenerfassung für den Auto-Innenraum

Veröffentlicht am von

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2016

Rückfahrassistent oder Fußgängererkennung: Moderne Autos analysieren ihre Umgebung aufs Genauste. Den Innenraum dagegen sparen die Sensoren bisher weitestgehend aus. Nicht so ein neuartiges System: Es erkennt Anzahl und Größe der Personen im Fahrzeug und weiß, worauf sie ihre Aufmerksamkeit richten. Somit legt es die Basis für neuartige Assistenzsysteme, etwa für das automatisierte Fahren.

Den Blick fest auf die Straße gerichtet, jederzeit zur Reaktion bereit – so sitzen Autofahrer hinter dem Steuer. Künftig könnte sich das ändern: Wenn das Auto eigenständig lenkt und bremst, kann sich der Fahrer bequem zurücklehnen, eine Nachricht auf dem Smartphone verschicken, sich zu den Kindern auf der Rückbank umdrehen oder – das Fahrzeug kann dem Fahrer temporär ein erweitertes Infotainment-Angebot bereitstellen. Mit dieser Vision des vollautomatisierten Fahrens ergeben sich neue Möglichkeiten für den Fahrer, die Fahrtzeit zu nutzen und Aktivitäten jenseits des Fahrens nachzugehen – und damit auch neue Anforderungen an die Assistenzsysteme. Doch während es bereits zahlreiche Sensoren gibt, die das Umfeld des Autos analysieren, fehlen solche Systeme für den Innenraum.

Basis für neue Assistenzsysteme

Forscher der Fraunhofer-Institute für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Karlsruhe und für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart entwickeln im Projekt »Intelligent Car Interieur«, kurz InCarIn, erstmals ein System für den Fahrzeug-Innenraum – gemeinsam mit ihren Kollegen der Volkswagen Konzernforschung, von Bosch, Visteon und weiteren Unternehmen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. »Wir weiten die Sensorik auf den gesamten Innenraum aus«, erläutert Dr. Michael Voit, Gruppenleiter am IOSB. »Über Tiefenkameras erfassen wir das Fahrzeuginnere, erkennen die Anzahl der Personen, ihre Größe und ihre Körperhaltung. Daraus leiten wir die Aktivitäten der Personen ab.« Das langfristige Ziel liegt im Aufbau neuer Assistenzsysteme. Wichtig ist dies unter anderem bei teilautomatisiertem Fahren: Dreht sich der Fahrer zu den Kindern um, die auf der Rückbank sitzen, könnte in diesem Moment das System auf einem Monitor das Videobild der Rückbank darstellen – so kann der Fahrer den Blick umgehend wieder gen Straße richten und sieht dennoch, was die Kinder machen. »Über die Sensoren kann das System abschätzen, wie lange der Fahrer nach dem automatisierten Fahren brauchen wird, um die Kontrolle über das Fahrzeug wieder vollständig zu übernehmen«, erklärt Frederik Diederichs, Wissenschaftler und Projektleiter am IAO. Anhand der Information, wo die Personen sitzen und wie groß sie sind, ließe sich beispielsweise auch der Airbag an die individuelle Körpergröße anpassen – und über die Analyse der Gliedmaßen auch an spezielle Situationen wie an den Beifahrer, der die Füße auf das Armaturenbrett gelegt hat.

System erkennt Aktivitäten der Personen

Die Herausforderung liegt vor allem in der Auswertung der aufgenommenen Daten. Personen und deren Gliedmaßen erkennt die Software bereits, auch kann sie über eine Art Skelett, das sie über die Personenbilder legt, die Bewegungen nachvollziehen. Doch wie bringt man dem Computer bei, welche Aktivitäten die Personen gerade ausführen? »Eine Herausforderung liegt darin, Gegenstände, mit denen sich die Person beschäftigt, zuverlässig zu erkennen. Wenn man bedenkt, dass prinzipiell jedes Objekt in das Fahrzeug gebracht werden kann, müssen irgendwo Grenzen der Erfassungsmöglichkeiten gezogen werden. Wir setzen daher Grundvoraussetzungen, indem wir dem Computer mitteilen, wo sich etwa Sonnenschutzblende und Handschuhfach befinden«, erklärt Voit.

Die Forscher haben die Kameras und die zugehörigen Auswertealgorithmen zunächst im IAO-eigenen Fahrsimulator getestet und weiterentwickelt. Nun soll das System – integriert in einen Volkswagen Multivan – in Probandenversuchen zeigen, was es kann. Hier werden Grundlagen für die neuen Fahrzeugkonzepte der nächsten fünf bis zehn Jahre gelegt.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Schwachpunkte im Stromnetz erkennen

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 01.08.2016

Die Hochschule Coburg beteiligt sich an einem Forschungsprojekt mit dem Nürnberger Stromanbieter N-ERGIE und dem Energie Campus Nürnberg. Das Team unter Leitung von Prof. Dr. Christian Weindl entwickelt Methoden, die Auskunft über den Zustand von Stromkabeln geben können.

Wann hat ein Stromkabel seine maximale Lebensdauer erreicht und muss ausgetauscht werden? Diese Frage ist für Netzbetreiber bedeutsam. Denn idealerweise könnten die Kabel ersetzt werden, bevor sie kaputt gehen.

Die Forscher um Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl, Fakultät Elektrotechnik und Informatik, wollen herausfinden, wie man den Zustand und die Restlebensdauer von Mittelspannungskabeln am besten bestimmen kann. Sie untersuchen insbesondere sogenannte Papier-Massekabel, also Kabel, die mit öl- bzw. massegetränkten Papierschichten isoliert sind.

In einem vorgelagerten Langzeitversuch untersuchte das Forschungsteam die Kabelalterung bereits erfolgreich unter Laborbedingungen. Dabei ließ es Mittelspannungskabel in einem beschleunigten Prozess künstlich altern, um Parameter ableiten zu können, die auf das baldige Lebensende eines Kabels hindeuten.

Gemeinsam mit der Firma Baur Prüf- und Messtechnik GmbH entwickelte das Forschungsteam jetzt einen Kabeldiagnosewagen, den Mitarbeiter der N-ERGIE Service GmbH für erste Untersuchungen nutzen. Bis 2018 werden sie rund 250 Kabelstrecken im Mittelspannungsnetz analysieren. Besonderes Interesse gilt dabei den zahlreichen Mischkabelstrecken, also Kabelstrecken, die in Teilen aus Papier-Massekabeln sowie in Teilen aus neueren Kabeln mit einer Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE) bestehen. Der Straßenbelag muss für die Feldmessungen an den Erdkabeln nicht aufgerissen werden. Mit dem Diagnosefahrzeug können die Untersuchungen direkt an einem Umspannwerk oder an einer Trafostation durchgeführt werden.

„Die Feldmessungen laufen sehr gut an. Das hochgenaue Messsystem, das wir entwickelt haben, bewährt sich im praktischen Einsatz. Die Ergebnisse liegen in einem Bereich, der die Erkenntnisse unseres Laborversuchs bestätigt“, resümiert Prof. Dr. Weindl.

Das Messsystem besteht aus zahlreichen Komponenten, die im Zuge des Forschungsprojekts entwickelt wurden. Bei Frequenzen von 0,1 und 50 Hertz werden damit die Verlustfaktoren ermittelt, die Aufschluss über den Zustand der Kabelstrecken geben. Die Ergebnisse der Messungen ergänzen die bereits bestehende Datenbank, die mit ihrer großen Zahl an Vergleichswerten den Entscheidungsprozess für einen möglichen Austausch maßgeblich unterstützen wird.

„Die Messungen, die wir derzeit vornehmen, sind ein weiterer Schritt hin zu einem Datenbanksystem, das uns zukünftig die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls besser abschätzen lässt“, sagt Stefan Link, der bei der Main-Donau Netzgesellschaft für das Netzmanagement in der Region Nürnberg zuständig ist.

Das Forschungsprojekt war zunächst an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg angesiedelt und ging nach dem Wechsel von Prof. Weindl an die Hochschule Coburg über.

Externer Link: www.hs-coburg.de