Basler Physiker entwickeln Methode zur effizienten Signalübertragung aus Nanobauteilen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 22.05.2015

Physiker haben eine innovative Methode entwickelt, die den effizienten Einsatz von Nanobauteilen in elektronische Schaltkreisen ermöglichen könnte. Sie entwickelten dazu eine Anordnung, bei der ein Nanobauteil mit zwei elektrischen Leitern verbunden ist. Diese bewirken eine hocheffiziente Auskopplung des elektrischen Signals. Die Wissenschaftler vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel haben ihre Ergebnisse zusammen mit Kollegen der ETH Zürich in der Fachzeitschrift «Nature Communications» publiziert.

Elektronische Bauteile werden immer kleiner. In Forschungslabors werden bereits Bauelemente von wenigen Nanometern hergestellt, was ungefähr der Grösse von zehn Atomen entspricht. Dank der Miniaturisierung lassen sich zahlreiche elektronische Komponenten auf kleinstem Raum unterbringen, womit sich die Leistungsfähigkeit der Elektronik in Zukunft weiter steigern lassen wird.

Wissenschaftlerteams untersuchen weltweit, wie sich solche Nanobauteile mithilfe von Kohlenstoff-Nanoröhrchen herstellen lassen. Diese Röhrchen besitzen einzigartige Eigenschaften – sie leiten hervorragend Wärme, können mit hohen Stromstärken belastet werden und eignen sich als Leiter oder Halbleiter. Allerdings ist die Signalübertragung zwischen einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einem sehr viel grösseren elektrischen Leiter noch immer problematisch, da grosse Teile des elektrischen Signals durch die sogenannte Reflexion verlorengehen. Dabei wird ein Teil des Signals zurückgeworfen.

Antireflex erhöht die Effizienz

Ein ähnliches Problem stellt sich bei Lichtquellen in einem Glasobjekt. Da sehr viel Licht von den Wänden reflektiert wird, dringt nur ein kleiner Teil des Lichts nach aussen. Dagegen kann eine Antireflexbeschichtung an den Wänden dienen.

Ganz analog sind die Basler Wissenschaftler um Prof. Christian Schönenberger nun in der Nanoelektronik vorgegangen. Sie entwickelten eine Antireflexeinheit für elektrische Signale, um die Reflexion, die beim Übergang von Nanobauteilen in grössere Schaltkreise stattfindet, zu reduzieren. Dazu schufen sie eine spezielle Anordnung von elektrischen Leitern bestimmter Länge, die mit einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen gekoppelt sind. Die Forscher konnten somit ein hochfrequentes Signal aus dem Nanobauteil effizient auszukoppeln.

Unterschiedliche Scheinwiderstände sind das Problem

Die Kopplung von Nanostrukturen mit wesentlich grösseren Leitern gestaltet sich schwierig, da sie sehr unterschiedliche Scheinwiderstände, sogenannte Impedanzen, aufweisen. Je grösser der Unterschied der Impedanzen zwischen zwei leitenden Strukturen ist, desto grösser ist der Verlust beim Übergang. Zwischen Nanobauteilen und makroskopischen Leitern ist der Unterschied so gross, dass ohne Gegenmassnahmen kein Signal übertragen wird. Die Antireflexeinheit vermindert diesen Effekt und passt die Scheinwiderstände einander an, was zu einer effizienten Kopplung führt. Damit sind die Wissenschaftler dem Ziel, Nanobauteile zur Signalübertragung in elektronischen Bauelementen zu gebrauchen, einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Orginalbeitrag:
V. Ranjan, G. Puebla-Hellmann, M. Jung, T. Hasler, A. Nunnenkamp, M. Muoth, C. Hierold, A. Wallraff & C. Schönenberger
Clean carbon nanotubes coupled to superconducting impedance-matching circuits
Nature Communications (2015), doi: 10.1038/ncomms8165

Externer Link: www.unibas.ch

Schmerz lass nach

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Presseinformation der LMU München vom 26.05.2015

LMU-Wissenschaftlern ist es gelungen, eine Serie von Molekülen zu entwickeln, mit denen Schmerzempfindungen lichtabhängig gesteuert werden können.

Sei es der Griff auf die heiße Herdplatte oder der Biss in eine Chilischote: Der Rezeptor TRPV-1 spielt bei der anschließenden Schmerzempfindung eine wichtige Rolle. Er wird hauptsächlich in schmerzwahrnehmenden Nervenzellen gebildet und von mehreren chemischen und physikalischen Reizen aktiviert – neben Chilischärfe und Hitze unter anderem auch durch elektrische Spannung, Spinnengifte und Säuren. „Auf Licht reagiert er von Natur aus allerdings nicht“, sagt Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik, dem es nun mit seinem Team trotzdem gelang, diesen Schmerzrezeptor mithilfe lichtsensitiver Moleküle präzise steuerbar zu machen.

Der Neurorezeptor TRPV-1 ist in die Zellmembran eingebaut und schleust als Kationenkanal positiv geladene Ionen in das Zellinnere, wenn er aktiviert wird. Damit verschiebt sich die Ladungsverteilung zwischen Innen und Außen und es entsteht ein elektrischer Reiz, durch den das Schmerzsignal weitergeleitet wird. „TRPV-1 wird auch von zahlreichen Lipiden aktiviert, insbesondere von Fettsäuren mit einem bestimmten Strukturelement, einer sogenannten Vanilloid-Kopfgruppe“, sagt Trauner, „der Grad der Aktivierung ist dabei von Länge und Sättigungsgrad der Fettsäuren abhängig und sehr variabel“. Diese Eigenschaft macht die Fettsäuren zu einem idealen Ausgangsstoff, um Fotoschalter zu entwickeln, die TRPV-1 mithilfe von Licht unterschiedlich stark stimulieren.

Bibliothek für Fotoschalter

Trauners Team gelang es, einen Fotoschalter in die Fettsäurekette einzubauen, der seine Struktur je nach Wellenlänge des Lichts, dem er ausgesetzt ist, ändert. „Dadurch designten wir eine ganze Bibliothek verschiedener lichtsensitiver Fettsäuren die als Bausteine für komplexe fotoschaltbare Fette dienten“, sagt Trauner. „Durch die Modifizierung dieser Bausteine mit einer Vanilloid-Kopfgruppe synthetisierten wir eine Serie aus sechs Verbindungen, die wir AzCAs nannten und die eine abgestufte lichtgesteuerte Kontrolle des Schmerzrezeptors möglich machten“.

Die neuen Moleküle können die von schmerzregulierenden Neuronen weitergeleiteten Signale mit bisher unerreichter Präzision steuern. Möglicherweise eröffnen sie daher neue Chancen in der Schmerztherapie, etwa um den Ionenkanal für Lokalanästhetika zu öffnen, oder um Nervenzellen durch einen Dauerreiz abzustumpfen und unempfindlicher zu machen. Dass die Reizweiterleitung auch in komplexen Geweben beeinflusst werden kann, konnten die Forscher in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Gary Lewin (Max-Delbrück Centrum, Berlin) im Tiermodell bereits zeigen. „Zusätzlich zur Präzision beeindruckte uns besonders auch die Geschwindigkeit der Reaktion“, sagt Trauner. Die Substanz Capsaicin, die der Chilischote ihre Schärfe gibt, etwa aktiviert TRPV-1 ebenfalls, baut aber im Vergleich zu den AzCas ihre Wirkung nur langsam auf und muss wieder ausgeschieden werden, bevor TRPV-1 zum Ausgangszustand zurückkehren kann. Im Gegensatz dazu können die AzCAs in ihrem deaktivierten Zustand eingebracht und dann mit ultraviolettem Licht aktiviert werden. Ein blauer Lichtblitz schaltet das Molekül wieder aus, sodass die Schmerzempfindung wie mit einem Lichtschalter an- und ausgeschalten werden kann.

Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler ihre neuen fotoschaltbaren Moleküle in noch komplexeren neuronalen Systemen sowie in vivo testen. „Außerdem arbeiten wir an der Entwicklung von Fotoschaltern, die auf Rotlicht reagieren und uns so ermöglichen würden, tieferliegende Gewebeschichten zu erreichen“, sagt Trauner, „ein weiteres Projekt ist es, unsere lichtsensitiven Fettsäure-Bausteine auch in komplexere Lipide einzubauen und so möglicherweise auch andere Proteine und Zellfunktionen optisch zu kontrollieren“. (göd)

Publikation:
Nature Communications 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Neues Druckverfahren bringt dreidimensionale Objekte zum Leuchten

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.05.2015

Ingenieuren des KIT und der Franz Binder GmbH ist es erstmals gelungen, Elektrolumineszenz-Leuchtschichten per Tampondruckverfahren auf gekrümmte Flächen aufzubringen.

Herkömmliche Leuchtfolien – Elektrolumineszenz(EL)-Folien – sind nur bis zu einem gewissen Grad biegbar und lassen sich leicht auf ebene Flächen aufbringen. Das am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit der Firma Franz Binder GmbH & Co. entwickelte neue Verfahren ermöglicht es, dreidimensionale Bauteile direkt mit elektrolumineszenten Schichten zu bedrucken. EL-Bauelemente könnten beispielsweise bei Stromausfällen die Sicherheit in Gebäuden erhöhen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Displays und Armbanduhren oder die effektvolle Gestaltung von Räumen. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt hat das Entwicklungsprojekt mit 125.000 Euro gefördert.

„Durch den innovativen Herstellungsprozess, den wir mit unserem Industriepartner gemeinsam entwickelt haben, lässt sich jede Art von dreidimensionalem Untergrund preiswert mit elektrolumineszenten Leuchtschichten versehen“, sagt Dr.-Ing. Rainer Kling vom Lichttechnischen Institut des KIT. Während sich bei EL-Trägerfolien das lumineszente Material zwischen zwei Kunststoffschichten befindet, ermöglicht es das neue Druckverfahren, Elektrolumineszenz ohne einen Zwischenträger direkt auf den Gegenstand aufzubringen. So lassen sich konvexe und konkave Flächen unterschiedlichster Materialien vom Papier bis zu Kunststoffen zum Leuchten bringen.

Die verschiedenen Komponenten der Beschichtung – darunter das elektrolumineszente Material und das elektrisch leitfähige Material – werden in dem neuen Verfahren mittels Tampondruckverfahren aufgebracht. Die herkömmlicherweise in der Druckindustrie eingesetzte Maschine hat einen elastischen Tampon aus Kautschuk, der sich gut verformen lässt und sich deshalb hervorragend zum Beschichten gewölbter Flächen eignet.

„Auf diese Weise lassen sich preiswert und einfach über die ganze Oberfläche homogene Schichten auftragen, sogar auf einer Kugel“, betont die an dem Forschungsprojekt beteiligte Diplom-Ingenieurin Elodie Chardin. „Das Erreichen der Homogenität der etwa einen Zehntel Millimeter dicken Schicht war eine der Herausforderungen des Vorhabens“, erläutert die leitende Diplom-Ingenieurin des Industriepartners Elisabeth Warsitz. Das Verfahren erfordert nur wenige Produktionsschritte und ist dadurch ressourcenschonend. Durch das Verwenden verschiedener Leuchtstoffe lassen sich – auch auf derselben Fläche – unterschiedliche Farben aufbringen.

Die rund zwei Jahre dauernde Forschung und Entwicklung am KIT in Kooperation mit dem in Neckarsulm ansässigen Unternehmen Franz Binder Elektrische Bauelemente wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt mit 125.000 Euro unterstützt. Die Stiftung fördert Vorhaben zum Schutz der Umwelt unter besonderer Berücksichtigung der mittelständischen Wirtschaft. Nach der erfolgreichen Entwicklung des prototypischen Druckverfahrens für EL-Schichten sind am Lichttechnischen Institut der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik am KIT weitere Forschungsarbeiten zum Optimieren des innovativen Herstellungsprozesses für EL-Leuchtschichten geplant. (afr)

Externer Link: www.kit.edu

Virtueller Navigationsassistent für komplexe Gebäude

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Presseaussendung der TU Wien vom 18.05.2015

Augmented Reality Indoor Navigation: TU Wien und Startup-Unternehmen entwickeln Software, die in das Live-Bild der Smartphone Kamera automatisch die richtigen Wegweiser einblendet.

Nur noch dreißig Minuten bis zum Anschlussflug. Bis dahin muss noch das richtige Gate und eine öffentliche Toilette gefunden werden, und ein schneller Kaffee wäre auch noch gut. In Flughäfen und anderen großen Gebäuden ist es oft schwer, sich zu orientieren – ganz besonders, wenn man im Stress ist. Der „Personal Indoor Assistant“, entwickelt von TU Wien und dem Startup-Unternehmen „Insider Navigation“, macht es nun einfacher, den richtigen Weg zu finden. Man muss nur die entsprechende App am Smartphone starten, die Software erkennt dann im Kamerabild anhand der Gebäudestruktur millimetergenau den Standort und kann direkt ins Live-Bild die passenden Wegweiser einblenden.

Bilderkennung in Echtzeit

„Viele Navigations-Systeme verwenden GPS- oder WLAN-Daten“, sagt Hannes Kaufmann, Leiter des Teams für interaktive Mediensysteme an der TU Wien (Institut für Softwaretechnik und Interaktive Systeme). „Unser Ansatz ist ganz anders: Das Bild wird automatisch nach charakteristischen Punkten durchsucht und mit einer gespeicherten Karte des Gebäudes verglichen“, erklärt Kaufmann. Dadurch kann man die Position viel genauer bestimmen, eine Präzision im Millimeterbereich ist möglich. Gleichzeitig lässt sich auch leicht ausrechnen, in welche Richtung die Kamera gerade blickt.

Dadurch können Wegweiser und wichtige Informationen direkt ins Bild eingefügt werden. Man läuft durch den Flughafen und sieht auf dem Handy das Echtzeit-Bild der Umgebung, angereichert um hilfreiche digitale Zusatzinformation, die man gerade braucht. Man spricht von „Augmented Reality“.

Erfolgreiche Tests am Flughafen Wien-Schwechat

Am Flughafen Wien-Schwechat wurde der „Personal Indoor Assistant“ bereits erfolgreich getestet. Das mobile Tracking-System von TU Wien und Insider Navigation blendet nicht nur Hinweispfeile an, um den richtigen Weg anzuzeigen. Es liefert auch nützliche Zusatzinformation, etwa die persönliche Abflugzeit oder die verbleibende Wegzeit zum Abflug-Gate, oder Live-Updates, zum Beispiel über Gate-Änderungen. Nicht nur in Flughäfen oder Bahnhöfen, sondern auch in Shoppingcentern oder Krankenhäusern wäre die neue Technologie gut einsetzbar.

Um in einem belebten Raum zu funktionieren, der sich im Lauf der Zeit auch immer wieder verändert, muss das Ortserkennungssystem sehr flexibel sein. An der TU Wien hat man daher einen Algorithmus entwickelt, der die Umgebung auch dann zuverlässig erkennt, wenn das aktuelle Bild nur teilweise mit den gespeicherten Daten übereinstimmt. Tausende markante Punkte im Bild werden erkannt und mit der Datenbank verglichen. „Auch wenn mal 70% der Punkte verdeckt sind macht das nichts“, sagt Kaufmann. Am Gebäude selbst sind keine Änderungen nötig. Man braucht weder Sendeanlagen noch spezielle QR-Codes, genau wie ein Mensch erkennt der Algorithmus die Position alleine anhand der charakteristischen visuellen Eigenschaften der Umgebung.

Das System funktioniert ohne GPS und zusätzliche Hardware. Betreiber von Flughäfen und ähnlichen Einrichtungen könnten die Technologie in ihre bestehenden Apps integrieren, damit wäre sie für User kostenlos.

Clemens Kirner, Gründer und CEO von Insider Navigation, hat zusätzlich zu Indoor Navigation auch noch weitere Ideen: „Augmented Reality bietet für Betreiber und Mieter auch ganz neue Marketing- und Service Möglichkeiten. Man kann abhängig vom Aufehaltsort personalisiert Information einblenden – virtuelle Werbeplakate, 3D-Objekte und sogar Videos.“

Vom Forschungslabor direkt auf den Markt

Der „Personal Indoor Assistant“ ist das Ergebnis eines Gemeinschaftsprojekts von TU Wien und der Firma Card-emotion, das von der Forschungsförderungsgesellschaft FFG gefördert wurde. Aufgrund des Erfolges wurde „Insider Navigation“ gegründet, ein eigenes Startup-Unternehmen. Wichtige Komponenten der neuen Technologie sind bereits patentiert. „Für dieses Jahr sind bereits mehrere Pilotsysteme beauftragt. Ziel ist es bis Ende des Jahres den ersten Kunden online zu schalten. Nun sind wir gespannt, wo es überall zum Einsatz kommt. Der Phantasie sind da keine Grenzen gesetzt.“ erklärt Hannes Kaufmann. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2015

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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:

User Innovation: A Path to Entrepreneurship
Eric von Hippel (MIT)
Start: 01.06.2015 / Arbeitsaufwand: 12 Stunden

Externer Link: www.edx.org