Graphen bewegt sich reibungslos auf Gold

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 26.02.2016

Der modifizierte Kohlenstoff Graphen hat ein vielfältiges Potenzial als Beschichtung in Maschinenbauelementen und im Bereich von elektronischen Schaltern. Ein internationales Forschungsteam um Physiker der Universität Basel hat die Schmierfähigkeit des Materials auf der Nanometerskala untersucht. Da es beinahe keine Reibung verursacht, könnte es als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren, berichten die Forscher im Magazin «Science».

Graphen könnte künftig als extrem dünne Beschichtung verwendet werden, durch die der Energieverlust zwischen mechanischen Teilen gegen Null geht. Dies beruht auf der enorm hohen Schmierfähigkeit des veränderten Kohlenstoffs in Form von Graphen, der sogenannten Supraschmierfähigkeit. Mit der Anwendung dieser Eigenschaft auf mechanische und elektromechanische Geräte liesse sich nicht nur Energie sparen, sondern auch die Lebensdauer der Apparate erheblich verlängern.

Ursachen des Schmierverhaltens ergründen

Mit einem doppelten Ansatz – experimentell und rechnerisch – hat eine internationale Gruppe von Physikern der Universität Basel und der Empa die überdurchschnittliche Schmierfähigkeit von Graphen untersucht. Dazu fixierten sie zweidimensionale Streifen aus Kohlenstoffatomen, sogenannte Graphen-Nanobänder, an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops und zogen sie über eine Goldoberfläche. Mit computergestützten Berechnungen wurden die Wechselwirkungen zwischen den sich gegeneinander bewegenden Oberflächen untersucht. Damit will das Team um Prof. Ernst Meyer der Universität Basel die bisher wenig erforschten Ursachen des Supraschmierverhaltens ergründen.

Von der Untersuchung der Graphen-Bänder erhoffen sich die Forscher nicht nur Erkenntnisse über das Gleitverhalten. Die Messung der mechanischen Eigenschaften des Kohlenstoffmaterials macht zusätzlich Sinn, da es grosses Potenzial für eine ganze Reihe an Anwendungen im Bereich von Beschichtungen und mikromechanischen Schaltern hat. Selbst elektronische Schalter könnten in Zukunft durch nanomechanische Schalter ersetzt werden, welche weniger Energie beim Ein- und Ausschalten brauchen würden als konventionelle Transistoren.

Die Versuche zeigten eine fast perfekte reibungsfreie Bewegung. Es können fünf bis 50 Nanometer lange Graphen-Bänder mit geringsten Kräften (zwei bis 200 Piconewton) bewegt werden.

Die Übereinstimmung zwischen Experiment und Computersimulation ist gross. Einzig bei grösseren Abständen zwischen der Messspitze und der Goldoberfläche (ab fünf Nanometern), ergibt sich eine Diskrepanz zwischen Modell und Realität. Wahrscheinlich hängt dies damit zusammen, dass die Ränder der Graphen-Nanobänder mit Wasserstoff gesättigt sind, was in den Simulationen nicht berücksichtigt wurde.

«Unsere Resultate helfen dabei, die Manipulation chemischer Stoffe auf Nano-Ebene besser zu verstehen und ebnen den Weg für die Verwirklichung von reibungsfreien Beschichtungen», schreiben die Forscher.

Originalbeitrag:
Shigeki Kawai, Andrea Benassi, Enrico Gnecco, Hajo Söde, Rémy Pawlak, Xinliang Feng, Klaus Müllen, Daniele Passerone, Carlo A. Pignedoli, Pascal Ruffieux, Roman Fasel and Ernst Meyer
Superlubricity of Graphene Nanoribbons on Gold Surfaces
Science (2016), doi: 10.1126/science.aad3569

Externer Link: www.unibas.ch

Wasserzeichen lösen Rätsel um Rembrandts Werkstatt

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom  01.03.2016

Mit Infrarotlicht Kunstwerke datieren

Handelt es sich um eine historische Zeichnung? Oder um eine Fälschung aus dem 19. Jahrhundert? Dies ist selbst für Kunstexperten schwer zu beurteilen. Ein neues Infrarot-Verfahren von Fraunhofer-Forschern lässt Wasserzeichen auf Papieren sichtbar werden und ermöglicht somit eine genauere Datierung.

Ist der Rembrandt echt? Oder ist man einem Schwindel aufgesessen und hat anstelle des Meisterwerks eine wertlose Kopie aus dem 19. Jahrhundert erworben? In vielen Fällen lässt sich dies mit Hilfe von Wasserzeichen beantworten. Sie informieren, aus welchem Zeitraum das Papier und damit das Werk stammt. Ab dem 12. bis 13. Jahrhundert hat jede Papiermühle solche Prägungen durch Drahtformen, die auf dem Schöpfsieb befestigt werden, in ihre Papierbögen eingebracht, quasi als Markenzeichen. Über die Jahre nutzten sich die Formen jedoch immer mehr ab, so dass Details der Zeichen nach einiger Zeit nicht mehr zu erkennen waren. Teilweise wurden sie auch vom Betreiber der Papiermühle erneuert oder ersetzt. Die Wasserzeichen lassen daher bis auf wenige Jahre genau auf die Zeit schließen, in der das Papier hergestellt wurde. Die Datenlage dazu ist gut. Um die Wasserzeichen zu erkennen, durchleuchtet man die Zeichnung üblicherweise mit sichtbarem Licht. Da das Papier im Bereich der Prägung mehr Licht durchlässt, sollte man sie gut erkennen können – zumindest theoretisch. In der Praxis klappt das jedoch nur bedingt: Oftmals verdecken Tinte oder Pinselstriche die Zeichen bis zur Unkenntlichkeit.

Infrarot-Licht sieht durch Farben und Tinte hindurch

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung WKI in Braunschweig haben nun eine Lösung für dieses Dilemma entwickelt, gemeinsam mit ihren Kollegen des Herzog-Anton-Ulrich-Museums und des Instituts für Nachrichtentechnik der Technischen Universität Braunschweig IfN. »Wir durchleuchten die Papiere nicht mit sichtbarem Licht, sondern mit Infrarot-Licht – also mit Wärmestrahlung«, sagt Peter Meinlschmidt, Wissenschaftler am WKI. »Die häufig verwendete Eisengallus-Tinte ist für dieses Licht transparent. Man sieht also nur das Wasserzeichen, ohne die störende Schrift oder Farbe.« Statt Unterschiede im Licht detektieren die Forscher die Abweichungen in der Wärmestrahlung – und das mit hoher Genauigkeit: Die Kameras können selbst Temperaturdifferenzen von 15 Millikelvin auflösen, also Unterschiede von 15 Tausendstel Grad erkennen.

Rund 60 Zeichnungen aus dem Rembrandt-Umfeld konnte das Team auf diese Weise bereits erfolgreich datieren. Das Prinzip: Die Forscher klemmen das Papier in ein Passepartout, welches sie zwischen einer Wärmeplatte, also dem Infrarotstrahler, und einer Infrarotkamera positionieren. Dabei kommt es darauf an, dass die Wärme gleichmäßig abgestrahlt wird und das Papier einen Abstand zum Strahler hat. Denn bei direktem Kontakt würde sich das Papier ungleichmäßig erwärmen.

Schadet die Wärmestrahlung den Kunstwerken? »Die Wärme ist unbedenklich: Die Infrarotlampe erwärmt das Papier weitaus weniger, als es die Finger beim Anfassen des Papiers tun«, erläutert Meinlschmidt. Allerdings gilt es, schnell zu sein: Das Wasserzeichen ist nur wenige Sekunden lang sichtbar. Denn je länger das Blatt in der Wärmestrahlung bleibt, desto stärker wärmen sich durch Tinte dunkel gefärbte Bereiche auf und stören die Temperaturunterschiede, die durch die Prägung hervorgerufen werden.

Notenpapiere auf Echtheit prüfen

Die Infrarotkameras, die die Forscher bisher verwendet haben, sind teuer – das Gesamtsystem kostet rund 80 000 Euro und ist daher nur für große Bibliotheken wie die Bayerische Staatsbibliothek München oder die Staatsbibliothek zu Berlin erschwinglich. Gegenwärtig arbeiten die Wissenschaftler daher gemeinsam mit der Sächsischen Landesbibliothek SLUB in Dresden daran, den Preis für das System zu senken: auf 20 000 bis 30 000 Euro. Die Forscher setzen auf eine Kamera, deren Auflösung statt 15 Millikelvin nur 50 Millikelvin beträgt. Für sie müssten die Museen nicht 50 000, sondern nur 5 000 Euro bezahlen. »Diese geringere Auflösung wollen wir durch eine deutlich bessere Bildverarbeitung wettmachen – etwa durch Gauss-Filter, die das Rauschen verschwinden lassen oder Differenzbilder, die Ungleichheiten im Papier beseitigen«, erklärt Meinlschmidt. Eine erste Software-Version wird in der Landesbibliothek gerade anhand historischer Notenblätter getestet. In zwei bis drei Jahren soll das System einsatzbereit sein.

Automatischer Abgleich mit der Datenbank

Hat man das Wasserzeichen aufgenommen, gilt es, exakt dieses in einer Datenbank wiederzufinden. Das erledigen bislang Experten in mühseliger und langwieriger Handarbeit. »Bald sollen Suchalgorithmen diese Zuordnung übernehmen«, sagt Meinlschmidt. Daran arbeiten die Forscher zukünftig im Auftrag der Staatsbibliothek in Berlin. In etwa vier Jahren soll die automatische Erkennung angewendet werden können. Eine weitere Frage, der sich die Wissenschaftler widmen: Welche Farben sind bei welchem Wellenlängenbereich des Infrarotlichts transparent? Sprich: Für welche Farben eignet sich welches IR-Licht am besten? Ist dies bekannt, könnte man für jedes Kunstwerk die optimale Wellenlänge wählen – und die Sichtbarkeit der Wasserzeichen somit noch einmal verbessern.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Wie Wicken und Platterbsen wertvollen Ackerboden retten können

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Pressemeldung der Universität Kassel vom 23.02.2016

Die Universität Kassel hat in einem internationalen Projekt Methoden entwickelt, um in verschiedensten Klimazonen kostbares Ackerland zu bewahren. Schon der geschickte Anbau bestimmter Feldfrüchte kann helfen, Ernten in Europa, Afrika und auf anderen Kontinenten dauerhaft zu sichern.

Immer weniger Ackerland muss weltweit immer mehr Menschen ernähren. Der Mensch geht fahrlässig mit dem Boden um: Nach Angaben der Welthungerhilfe gehen durch Erosion, Versalzung, Austrocknung oder Versiegelung jährlich zwischen fünf und sieben Millionen Hektar landwirtschaftlicher Nutzfläche verloren. Unter Leitung von Prof. Dr. Maria Finckh, Agrarwissenschaftlerin der Universität Kassel, hat eine internationale Forschungsgruppe Methoden entwickelt, um Ackerland vor Auslaugen und Erosion zu schützen – schonend und naturnah.

Im Ergebnis kann schon der Anbau von Zwischenfrüchten viel zum Erhalt von Ackerland beitragen. Diese Zwischenfrüchte werden nicht geerntet, sondern sterben ab und bilden eine Mulchschicht, die als Dünger und Bodenschutz dient. Als guter Dünger sind manche Pflanzenfamilien wie Leguminosen (Hülsenfrüchtler) schon bekannt, aber vergleichende Versuche in einer Größenordnung wie im Rahmen des Projekts OSCAR hatte es bislang nicht gegeben. Die Forschergruppe testete in den vergangenen vier Jahren insgesamt über 1000 Arten und Sorten auf ihre Eignung als Untersaaten oder Zwischenfrüchte. Die Pflanzen wurden in elf Ländern auf drei Kontinenten sowohl unter konventionellen als auch ökologischen Bedingungen mit innovativen Maschinen und Sämethoden angebaut. In einer Datenbank wurde erfasst, welche Pflanzensorte wo unter welchen Bedingungen den größten Beitrag zum Bodenschutz lieferte.

Als besonders geeignet erwiesen sich Wicken und Platterbsen (beides Leguminosen-Arten). Ihre Wurzeln leben in Symbiose mit Knöllchenbakterien, die Stickstoff sammeln – einen guten Dünger. In Mitteleuropa wirkt auch Ölrettich vorteilhaft. Ebenso wie Wicken und Platterbsen entwickelt er starke Wurzeln, was zu einem guten Schutz vor Erosion führt. „Es ist klar, dass die Zwischenfrüchte einen erheblichen Beitrag dazu leisten können, Böden zu schützen. Der Effekt ist viel größer als bislang angenommen und in allen Klimazonen nachweisbar“, so Finckh. Bedingung: „Die Pflanzen sollten nach der Ernte der Hauptfrucht auf einem Acker gesät und wenigstens drei Monate bis zur Aussaat der nächsten Hauptfrucht stehen gelassen werden.“ Im Rahmen der EU-Greening-Verordnungen werden inzwischen europaweit vermehrt Zwischenfrüchte eingesetzt.

Wertvolle Leguminosen

Als vielversprechend für den Bodenschutz erwies es sich auch, weniger auf schwere Landmaschinen und mehr auf neuartige, leichtere Anbaumaschinen zurückzugreifen. Zum Teil sind hier aber noch technische Entwicklungen nötig. Um den Anwendern Informationen gut verständlich zur Verfügung zu stellen, wurde eine mehrsprachige interaktive Informationsplattform inklusive Internet-basierter Entscheidungshilfe aufgebaut, die auch nach Projektende weiter zur Verfügung stehen wird und weiter entwickelt werden soll (www.covercrops.eu). Damit wird den Nutzern ermöglicht, für ihre jeweiligen Standorte die besten Pflanzen und Methoden zu finden und auszuprobieren.

Das EU-Forschungsprojekt OSCAR („Optimizing Subsidiary Crop Applications in Rotations“; deutsch: Optimierung der Anwendung von ergänzenden Pflanzen in Fruchtfolgen) umfasste 20 Partner aus elf Ländern Europas, Afrikas und Südamerikas und wurde mit rund drei Millionen Euro gefördert. Die Ergebnisse wurden jetzt am Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften der Universität Kassel in Witzenhausen vorgestellt.

Externer Link: www.uni-kassel.de

Spitzenforschung für den Mittelstand

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Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 22.02.2016

Erfolgreicher Projektabschluss für BMBF-Verbundforschungsprojekt im Bereich Fahrzeugsicherheit an der THI

Am 31. Januar 2016 wurde das Verbundforschungsprojekt HiPe-FiS („High-Performance Funktionen und effiziente Testmethoden zur Steigerung der integralen Sicherheit“) erfolgreich abgeschlossen. In den vergangenen drei Jahren hat die Technische Hochschule Ingolstadt gemeinsam mit den Kooperationspartnern IPG Automotive GmbH, Ibeo Automotive Systems GmbH sowie dem Automobilzulieferer Continental an innovativen Funktionen und entsprechenden Testmethoden zur Steigerung der Fahrzeugsicherheit geforscht.

Ein wesentliches Ziel des Projektes war die Erforschung von sogenannten „Real-World-Safety-Systemen“, bei denen neben standardisierten Test-Szenarios komplexere Gefahrensituationen aus dem realen Straßenverkehr adressiert werden. Diese sind durch die Vernetzung von Umfeld- (Stereokamera- und Laserscannersysteme), Crash- und Beschleunigungssensoren in der Lage, den Verlauf potentieller Unfallsituationen und damit sicherheitskritische Fahrsituationen als Ganzes genauer zu erkennen. In der Folge können durch die koordinierte Ansteuerung der Rückhaltemittel kritische Situationen vor dem Unfall erkannt, der Unfall vermieden bzw. dessen Schwere reduziert und damit die Fahrzeugsicherheit letztlich weiter verbessert werden.

Im Mittelpunkt von HiPe-FiS standen häufig auftretende, gefährliche Unfallszenarien, mit dem Ziel, standardisierte Crash- und Fahrsicherheitstests um neue Erkenntnisse aus dem realen Unfallgeschehen zu erweitern. Im Zuge des Projektes wurden gerade Böschungs- und Leitplankenunfälle als besonders signifikante Unfallszenarien identifiziert, analysiert und simuliert. Dabei wurde nicht nur das Verhalten des Fahrzeugs, sondern erstmalig auch das des Fahrers in diesen speziellen Situationen mittels Simulationen nachgestellt, um gezielt Gegenmaßnahmen zu erforschen, die speziell in diesen Situationen den Insassen besser schützen können.

Ein weiteres Projektziel bestand in der Sicherstellung sowie Verbesserung der System- und Funktionszuverlässigkeit, da ein Mehr an Fahrzeugsicherheit in aller Regel auch zu einer Steigerung der Systemkomplexität durch eine wachsende Anzahl an Elektronikkomponenten führt. Im Rahmen von HiPe-FiS wurden deshalb parallel zu den Sicherheitsfunktionen neue, simulationsbasierte Testmethoden für kamerabasierte Fahrerassistenzsysteme erarbeitet. Zudem entstand ein spezielles Referenzsensorsystem, das die Daten aus einem Laserscanner nutzt, um Kamerasysteme zu testen und zu evaluieren. Damit kann eine höhere Zuverlässigkeit für entsprechende Funktionen, wie zum Beispiel die Erkennung von Fußgängern, sichergestellt werden.

Der Erfolg von HiPe-FiS basiert auf der langjährigen Expertise der Verbundpartner und deren spezifischen Kompetenzen in den Bereichen scannende Lasermesstechnik (Ibeo), Fahrdynamik- und Umfeldsimulation (IPG Automotive), integrale Fahrzeugsicherheit (Continental) und Sensordatenfusion (THI), die sich komplementär ergänzen. Mit den Ergebnissen von HiPe-FiS konnten sich insbesondere Ibeo und IPG Automotive GmbH einen Innovationsvorsprung erarbeiten, der ihnen dabei hilft, ihre Produkte weiterzuentwickeln, um im internationalen Konkurrenzkampf des Automobilmarktes erfolgreich bestehen zu können und die Vorreiterrolle Deutschlands in diesem Bereich zu sichern. Bei Continental werden die Real-World-Safety-Funktionen weiter entwickelt und in ein Demonstratorfahrzeug integriert. Die Integration von aktiven und passiven Sicherheitssystemen bewirkt, dass Umfeldinformationen und Signalvernetzung effektiver zusammenwirken, um dadurch Unfälle zu vermeiden bzw. Unfallfolgen und Verletzungsrisiken zu verringern. Seitens der Technischen Hochschule Ingolstadt sind die Ergebnisse ein wichtiger Beitrag auf dem Weg zu einem innovativen globalen Sicherheitssystem. Dieses steigert mit Hilfe von integralen und kooperativen Sicherheitsfunktionen die Sicherheit im Straßenverkehr gravierend. Zudem wurden entsprechende Testmethoden und Verfahren erforscht, die eine Überführung dieser Systeme in die Anwendung möglich machen. Mittelfristig soll das Forschungs- und Testzentrum CARISSMA deutschlandweit wie international zu einem wissenschaftlichen Leitzentrum für die angewandte Fahrzeugsicherheitsforschung werden.

Das Projekt mit einer Laufzeit von drei Jahren wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 16N11564K im Rahmen des Fachprogramms „KMU-innovativ: Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT)“ in Höhe von rund 1,5 Mio. Euro bei einem Gesamtprojektvolumen von 2,3 Mio. Euro gefördert.

Externer Link: www.thi.de