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Performance:
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Trend:
Auf Monatsbasis bedeutet der Dezember 2021 das dritte Plus in Folge.
Presseaussendung der TU Wien vom 15.12.2021
Eine Überraschung in der Straßenbau-Forschung: Entgegen bisheriger Annahmen trägt sichtbares Licht deutlich zur Alterung von Bitumen bei, was letztlich den Asphalt zerstören kann.
Die Haltbarkeit von Asphalt hängt ganz entscheidend vom Bitumen ab – dem schwarzen Bindemittel, das die Steinchen im Asphalt zusammenhält. Wenn das Bitumen in der Straße altert, kann es seine Eigenschaften verändern und spröde werden, wodurch letztendlich der Asphalt Risse bildet. An der TU Wien forscht man im 2020 eingerichteten „Christian-Doppler-Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Materialien“ daran, diese Prozesse besser zu verstehen und Asphalt langlebiger zu machen.
Durch Zufall stieß Johannes Mirwald (Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien) dort nun auf einen überraschenden Effekt: Anders als bisher gedacht kann sichtbares Licht im blauen und grünen Bereich das Bitumen verstärkt altern lassen – und zwar innerhalb kürzester Zeit. Diese lichtbedingte Veränderung im Bitumen wurde nun an der TU Wien genau untersucht, bei künftigen Forschungen und Lebensdauer-Abschätzungen muss jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung mitberücksichtigt werden.
Zufallsentdeckung im Labor
„Das Forschungsprojekt begann mit einigen merkwürdigen Beobachtungen, die sich zunächst niemand erklären konnte“, erzählt Prof. Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien. „Bei uns im Labor lagen Bitumen-Proben in Glasbehältern herum – und bei näheren Untersuchungen stellen wir fest, dass sich ihre Oberfläche nach sehr kurzer Zeit verändert hatte.“
Solche Veränderungen hätte man vielleicht bei hohen Temperaturen erwartet – nicht aber bei Zimmertemperatur im Labor. Auch intensive UV-Strahlung käme als Erklärung für solche Veränderungen in Betracht, doch das Glas sollte eigentlich einen Großteil der UV-Strahlung absorbieren und nur den sichtbaren Anteil des Sonnenlichts durchlassen. „Wir beschlossen also, uns diese merkwürdige Sache mit Spezialmikroskopen näher anzusehen“, sagt Bernhard Hofko.
Bitumen-Proben wurden ganz gezielt beleuchtet, mit unterschiedlichen genau definierten Lichtfarben – vom langwelligen Rot bis in den kurzwelligeren UV-Bereich. „Bisher nahm man an, dass das hochenergetische UV-Licht den stärksten Einfluss auf die Alterung von Bitumen hat. Von sichtbarem Licht erwartete man keinen nennenswerten Effekt“, sagt Johannes Mirwald. Doch die Messungen zeigten deutlich: Bei allen untersuchten Lichtwellenlängen waren bereits nach 15-20 Minuten Veränderungen der Bitumen-Oberfläche nachzuweisen. Der stärkste Effekt tritt zwar tatsächlich im UV-Bereich auf, doch die Auswirkungen von sichtbarem Licht sind ähnlich drastisch – mit einem zusätzlichen Maximum im Wellenlängenbereich von blauem und grünem Licht. Berücksichtig man nun die Lichtbedingung auf der Erdoberfläche und den Einfluss der Atmosphäre, wodurch UV-Licht deutlich stärker abgeschwächt wird als blaues oder grünes Licht, zeigt sich, dass blaues Licht die meiste Alterung auf den Straßenoberflächen verursacht.
Oxidation führt zu Rissen
Das Licht beschleunigt die Oxidation des Materials – und wenn Bitumen oxidiert, verändern sich seine mechanischen Eigenschaften. Es wird steifer und damit auch rissanfälliger. „Die Oxidation unter Einwirkung von Licht findet zunächst nur in den obersten Schichten des Materials statt – in den äußersten Mikrometern der Bitumen-Probe“, sagt Johannes Mirwald. „Doch das ist bloß die Initialzündung für einen weitreichenden Effekt: Kleine Risse sorgen dafür, dass Sauerstoff tiefer in das Material eindringen kann, im Inneren des Materials entstehen Spannungen, die Risse werden tiefer und schließlich kann das zu einer nachhaltigen Schädigung des Asphalts führen.“
Bisher wurden Alterungsexperimente mit Bitumen hauptsächlich im Dunkeln durchgeführt – das wird sich nun ändern. „Unsere Messungen zeigen: Wenn man die Haltbarkeit von Asphalt vorhersagen möchte, dann muss man jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigen“, sagt Bernhard Hofko. Wo die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, hat man es außerdem meist auch mit hohen Temperaturen zu tun, das verstärkt den Effekt zusätzlich.
„Es ist ein absolut verblüffendes Ergebnis, mit dem niemand gerechnet hatte – so etwas passiert in der Forschung nicht oft“, sagt Bernhard Hofko. Für die Wissenschaft vom Straßenbau wird diese neue Erkenntnis jedenfalls wichtige Änderungen mit sich bringen. (Florian Aigner)
Originalpublikation:
J. Mirwald et al., Impact of UV–Vis light on the oxidation of bitumen in correlation to solar spectral irradiance data, Construction and Building Materials 316, 17 (2021).
Externer Link: www.tuwien.at
Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 22.12.2021
Neuartige optische Komponente auf der Basis von Metamaterialien aus Silizium-Nanopartikeln – Publikation in Advanced Materials
Die Miniaturisierung von optischen Komponenten ist eine Herausforderung in der Photonik. Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es gelungen, einen Diffusor – eine optische Streuscheibe – auf der Basis von Silizium-Nanopartikeln zu entwickeln. Damit können sie Richtung, Farbe und Polarisation von Licht gezielt steuern. Anwendungen kann die neuartige Technologie etwa in transparenten Bildschirmen oder in der Augmented Reality finden. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in der Zeitschrift Advanced Materials. (DOI: 10.1002/adma.202105868)
Die Photonik, die Wissenschaft von der Erzeugung, Ausbreitung und Detektion von Licht, gilt als Treiber bei der Entwicklung von Technologien für das 21. Jahrhundert. Eine Herausforderung für die Forschung besteht darin, traditionelle optische Komponenten wie Linsen, Spiegel, Prismen oder Diffusoren zu miniaturisieren oder ihre Merkmale um Eigenschaften zu ergänzen, die erst durch die Nanophotonik zugänglich sind. Dies führt zu neuen Anwendungen wie miniaturisierten Sensoren in autonom fahrenden Fahrzeugen oder integrierten photonischen Quantencomputern.
Diffusoren sind Streuscheiben, die einfallendes Licht mithilfe kleiner Streuzentren beeinflussen und etwa gleichmäßig in alle Richtungen verteilen. Um eher massive traditionelle Diffusoren zu ersetzen, brachten Forschende des KIT und der Friedrich-Schiller-Universität Jena eine Schicht spezieller Silizium-Nanopartikel auf ein Substrat auf. Dabei verteilten sie die Partikel in einer ungeordneten, aber sorgfältig geplanten Weise. Die Nanopartikel sind hundertmal dünner als ein menschliches Haar und wechselwirken mit bestimmten einstellbaren Wellenlängen des Lichts. Richtung, Farbe und Polarisation von Licht können mit diesen Meta-Oberflächen gezielt gesteuert werden.
„Sweet Spot“ für die perfekte Diffusion
„Das Forschungsteam ging zwei grundlegenden Fragen nach: Wie stark können wir den optischen Diffusor verkleinern und wie genau muss die Unordnung in der räumlichen Struktur der Nanopartikel sein?“, so Aso Rahimzadegan, Doktorand am KIT und einer der beiden Hauptautoren der Studie. „Bemerkenswerterweise haben wir einen ‚Sweet Spot‘ für die Unordnung gefunden, der zu einer perfekten Diffusion führt.“ Dennis Arslan, Doktorand an der Universität Jena und ebenfalls Hauptautor dieser Publikation, erläutert: „Wir haben Meta-Oberflächen-Diffusoren hergestellt, die, wenn man sie mit bloßem Auge betrachtet, aus allen Richtungen gleich hell erscheinen. Das Bemerkenswerte daran ist, dass dies alles in einer Schicht mit einer Dicke von nur 0,2 Mikrometern geschieht. Die Diffusoren streuen Licht einer bestimmten Farbe und lassen andere Wellenlängen ungestört passieren.” Diese Eigenschaft sei beispielsweise für wissenschaftliche Anwendungen nützlich, aber auch Konsumartikel wie transparente Bildschirme, die von beiden Seiten betrachtet werden könnten, holografische Projektoren oder Augmented-Reality-Headsets profitierten davon. Nur durch die Kombination experimenteller und theoretischer Expertise beider Partner war es möglich, Antworten auf die anspruchsvollen Fragen zu finden.
Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führte, wurde in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramm „Tailored Disorder“ durchgeführt und war am KIT in das Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order integriert. (jh)
Externer Link: www.kit.edu
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