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Nanolabor in Kiel : Video: Millionen-Investition für klitzekleine Erfindungen

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Aus der Onlineredaktion

Spitzenforschung in Kiel: Für rund sechs Millionen Euro wird das Nanolabor der Christian-Albrechts-Universität weiter ausgebaut. Warum die kleinsten Teilchen so große Erkenntnisse bringen.

shz.de von
erstellt am 24.Feb.2016 | 20:30 Uhr

Kiel | Um die kleinsten Teilchen zu erforschen, braucht man große Geräte. Einen sterilen Raum, Forscher in weißen Kitteln. Es mutet merkwürdig an, dieses Nanolabor in Kiel. Die Titel der Forschungarbeiten lassen sich auch kaum in eine normalverständliche Sprache übersetzen. „Memristive Bauelemente für neuronale Schaltungen“ heißt zum Beispiel die Arbeit einer Forschergruppe. Es ist die Frage nach den kleinsten Bauteilen, die die Welt zu bieten hat, die Frage, welche Funktion diese winzigsten, für das menschliche Auge unsichtbaren Teile haben. Ein Nanometer steht für ein Milliardstel Meter und ist damit etwa 2000 Mal dünner als ein menschliches Haar.

 
Nanotechnologie kann beispielsweise in Sensoren in der Technik von Autos, für Computer-Festplatten und in der Medizin angewendet werden. Nanoforschung hat wichtige Erkenntnisse und Erfindungen in der Medizin erbracht. Die Kieler Wissenschaftler waren an der Entwicklung von speziellen Stents beteiligt, die im Gehirn eingesetzt werden können. Es gibt weiterhin viel Forschungsbedarf auf dem Nano-Gebiet - beispielsweise gibt es neue Hoffnung für eine künftige Alternative zu Chemotherapien in der Krebsbehandlung.

Um die Arbeit des Kieler Nanolabors zu unterstützen, wird investiert. Ministerpräsident Torsten Albig (SPD) will am Mittwoch einen Förderscheck in Höhe von drei Millionen Euro an den Dekan der Technischen Fakultät, Eckhard Quandt, überreichen. Dieses Geld stammt aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung. Weitere drei Millionen Euro steuern die Uni selbst, das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie sowie zwei Firmen bei.

Mit dem Geld sollen sowohl neue Forschungsgeräte gekauft als auch neues Personal eingestellt werden, um künftig Unternehmen beraten und Auftragsarbeiten übernehmen zu können. Die Forscher des Kompetenzzentrums Nanosystemtechnik haben in den vergangenen Jahren unter anderem neuartige medizinische Implantate, superelastische Metalle und extrem empfindliche Sensoren entwickelt.

Das Kieler Nanolabor wurde 2008 auf 660 Quadratmetern in einer ehemaligen Lagerhalle im an der Kaiserstraße in Kiel-Gaarden eingerichtet. Darin sind unter anderem ein Reinraum und Geräte im Wert von mehreren Millionen Euro. Hier werden wesentliche Grundlagen für neue Materialien und Anwendungen erforscht, etwa auf den Gebieten der piezo- und thermoelektrischen Schichten, Batterien, Solarzellen und Thermoelektrik, der Chip-Labore sowie der magnetoelektrischen Sensoren. Die Wissenschaftler kommen aus unterschiedlichen Fachbereichen und arbeiten in Gruppen, die alle auf ein umfassendes Verständnis von Systemen auf der Nanometerskala abzielen.

Wenn Röhrchen aus Nanotechnik Leben retten

Stents werden in Gefäße eingesetzt.
Stents werden in Gefäße eingesetzt. Foto: dpa
 

Die dünnen Röhrchen werden ins Gehirn eingesetzt, um etwa poröse Blutbahnen zu schließen. Inzwischen werden diese Dünnschicht-Stents von der ausgegliederten Firma Acquandas produziert und in der Medizin genutzt. Hergestellt werden die Stents aus Nitinol, einer Nickel-Titan-Legierung, die sogenannte Gedächtniseigenschaften hat, sich also nach der Komprimierung wieder in die ursprüngliche Form zurückverwandelt.

Wie ein Mini-Labörchen Blut untersucht

Bis zu 100 Biomarker sollen auf dem Kieler Wegwerflabor Platz finden.

Bis zu 100 Biomarker sollen auf dem Kieler Wegwerflabor Platz finden.

Foto: Schimmelpfennig/CAU
 

Ein ganzes Labor in der Hand: Die Wissenschaftler haben in Kiel einen Chip entwickelt, der in einem Tropfen Blut verschiedene Proteine erkennen kann. Damit könnten medizinische Diagnosen zukünftig viel schneller und günstiger gestellt werden. Der Chip hat das Format eines Objektträgers für Mikroskope. Auf ihm werden die roten Blutkörperchen aus dem Blut mit Hilfe einer Membran gefiltert. Das Plasma wird dann über feine Kapillaren zu der nanostrukturierten Oberfläche des Sensors geleitet. Darauf haben die Wissenschaftler verschiedene Antikörper „geklebt“. Fließt nun das Blut durch den Chip, bleiben die zu den Antikörpern passenden Proteine nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip hängen. Die Konzentration dieser Proteine wird dann mit Hilfe von Licht aus LEDs ausgelesen. „Wir messen die Intensitätsänderung des Lichts, nachdem es den Sensor durchdringt. So erhalten wir Rückschlüsse darauf, wieviel von den Stoffen im Blut vorhanden ist“, erklärt Sabrina Jahns, Doktorandin in der Arbeitsgruppe Integrierte Systeme und Photonik an der Kieler Technischen Fakultät.

Warum Metall für eine coole Umgebung sorgt

Superelastisches Metall aus einer Titan-Nickel-Kupfer Legierung

Superelastisches Metall aus einer Titan-Nickel-Kupfer Legierung

Foto: AG Quandt
 

Zusammen mit Kollegen der University of Maryland, USA, haben die Kieler eine superelastische Metalllegierung entwickelt. Diese lässt sich millionenfach dehnen und kehrt nach Entlastung jedes Mal wieder vollständig in die Ursprungsform zurück. Dieses Material könnte auf vielfältige Art und Weise eingesetzt werden. Der Clou dabei: Bei der Dehnung heizt sich das Material um zirka zehn Grad Celsius auf und bei der Entlastung entsprechend ab, was als elastokalorischer Effekt bezeichnet wird. Genau diese Abkühlung könnte für neuartige miniaturisierte Kühlanwendungen genutzt werden, die ohne gasförmige Kältemittel auskommen. Da das Kieler Material unbegrenzt oft verformt werden kann, wäre eine lange Lebensdauer eines solchen Kühlgerätes garantiert. Wegen seines hohen Wirkungsgrades könnte dieser neue Kühlungsmechanismus zur Energieeinsparung beitragen.

Das Forschungsteam kann sich auch vorstellen, dass das superelastische Metall in der Medizin eingesetzt wird: Als künstliche Herzklappe zum Beispiel, die durch den Herzschlag einer sehr großen Zyklenzahlen periodisch auftretender Verformungen ausgesetzt ist. Hierfür müsste das Material aber noch „biokompatibel“ werden, so dass für diese Anwendung noch neue Legierungsentwicklung auf der Basis der gefundenen Materialien notwendig sein wird.

Warum Speicher in Atomgröße den Computer schneller machen können

Wissenschaftler Mirko Hansen beim Überprüfen der hergestellten Speicherzellen mittels eines Mikroskops im Reinraum der Kieler Technischen Fakultät.
Wissenschaftler Mirko Hansen beim Überprüfen der hergestellten Speicherzellen mittels eines Mikroskops im Reinraum der Kieler Technischen Fakultät. Foto: AG Nanoelektronik
 

Zusammen mit Wissenschaftlern der Ruhr-Universität Bochum entwickelten die Kieler einen neuartigen Informationsspeicher, der Ionen - also geladene Teilchen -  zur Speicherung und Elektronen zum Auslesen von Daten nutzt. Speicherzellen könnten damit bis in atomare Dimensionen verkleinert werden.

Übliche Informationsspeicher basieren auf Elektronen, die durch Anlegen einer Spannung verschoben werden. Die Entwicklung immer kleinerer und energieeffizienterer Speicher nach diesem Prinzip stößt aber zunehmend an ihre Grenzen: In Computern gibt es nämlich nicht nur einen Speicher, sondern je nach Aufgabe mehrere optimierte. „Das Verschieben von Daten zwischen den einzelnen Speichern nimmt mittlerweile eine nicht mehr zu vernachlässigende Zeit in Anspruch. Vereinfacht gesagt: Es wird mehr hin und her verschoben, als dass gerechnet wird“, sagt Professor Hermann Kohlstedt. Deshalb arbeiten weltweit Industrieunternehmen und Forschungsinstitute an einem effizienteren Universalspeicher, der die Vorzüge aller Speicher vereint und möglichst wenige Daten hin und her schiebt.

Die Speicher sollen dann nicht auf der Ladung basieren sondern auf dem elektrischen Widerstand. So ein Bauelement kommt nun aus den Kieler und Bochumer Laboren. Es besteht aus zwei metallischen Elektroden, die durch einen sogenannten Festkörperionenleiter, meist ein Übergangsmetalloxid, getrennt werden. Wird nun eine Spannung angelegt, ändert sich der ohmsche Widerstand der Speicherzelle. Dafür sorgen Oxidations- und Reduktionsprozesse an den Elektroden sowie eine Verschiebung von Ionen innerhalb der Schicht dazwischen. Der Vorteil: So aufgebaute Zellen lassen sich leicht herstellen und bis nahezu der Größe von Atomen verkleinern. Die neuen widerstandsbasierten Speicher könnten sogar Gehirnstrukturen nachbilden.

Wie Prothesen mit Gedanken bewegt werden könnten

Im Reinraum des Kieler Nanolabors arbeiten die Forschenden an Nanosensoren.

Im Reinraum des Kieler Nanolabors arbeiten die Forschenden an Nanosensoren.

Foto: Jürgen Haacks/CAU
 

In Kiel werden neuartige Sensoren für die medizinische Diagnostik entwickelt. Damit sollen über winzigste Magnetfelder Gehirn- und Herzfunktionen aufgezeichnet werden. Die Geräte sollen es auch möglich machen, Prothesen mit Gedanken zu steuern und das Lernen zu optimieren. Die Sensoren sollen ohne Kühlung und Abschirmung auskommen und kaum detektierbare Magnetfelder aufspüren können. Das würde die Magnetoenzephalographie (MEG) und die Magnetokardiographie (MKG) weiterentwickeln: „Neue visionäre medizinische Anwendungen sind denkbar, die mit bisherigen Sensoren nicht zu verwirklichen sind, zum Beispiel neue Körperüberwachungssysteme“, erklärt Professor Eckhard Quandt vom Kieler Institut für Materialwissenschaft. Die Forscher arbeiten in 16 Arbeitsgruppen der Christian-Albrechts-Universität, des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) und des Fraunhofer Instituts für Siliziumtechnik (ISIT).

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