Dirt Eater

Dezember 2000

Fingergelenk aus dem Reagenzglas


November 2000

Chip-Kamera und Kunstlinse
Affenhirn bewegt Roboterarm
Mit Druckluft betriebene Hand für Service-Roboter fühlt sich an wie das Original. Als Prothese geeignet?
Ein Fischhirn steuert einen Roboter
Laserlicht lässt künstliche Muskeln spielen
"C.D." kann mit seinen zwei transplantierten Händen wieder tasten
Dünner geht nicht: Kleinstmögliche Nanoröhren aus Kohlenstoff hergestellt


Oktober 2000

Jeder Fünfte ist für Chip im Hirn


September 2000

Bio-Mikrochips für die Medizin der Zukunft
Sehfähigkeit kann mit Laser-Operation verdoppelt werden
Implantate lassen Muskeln spielen
Schießfreudige Roboter


Juli 2000

Dem Quantencomputer einen Schritt näher
Erste Transplantation einer künstlichen Netzhaut geglückt


Juni 2000

Fühlen mit Folien: Ein Drucksensor soll den Tastsinn ersetzen
"Adlerauge" durch Operation - bis zu doppelte Sehschärfe
Halb Fisch, halb Maschine - Fischgehirn steuert Roboter


Mai 2000

Neue Knochen aus Haut und Zahnfleisch
Nanotechnologie - Intelligente Tinte trocknet zu mikroskopisch kleinen Maschinen


April 2000

US-Forscher ordnen gezielt Moleküle an. Auf dem Weg zur Nanotechnologie
Bioreaktor verbessert, in dem eines Tages künstliche Organe wachsen könnten
40.000 mal effizienter: magnetische Mikrochips
Neuer Optochip soll Echtzeit-Kommunikation ermöglichen


März 2000

Neue Ein-Molekül-Magneten für dichteres Datenspeichern
Winzige Magnetpartikel für riesige Datenmengen auf der Festplatte
Der kleinste Pflug der Welt - Nanogravur von Oberflächen
Neue Methode lässt Goldpartikel nanofeine Siliziumdrähte "spucken"
Kleinste Umlaufbahnen der Welt: Quantenpunkte bringen Quantencomputer ein Stück näher
Virtuelle Realität für Chirurgenhände
Bio-Computer aus Erbgut-Strängen löst Schachprobleme
Neuartiger Datenspeicher


Februar 2000

Fortschritt in der Nanotechnologie mit Kunststoff Polystyrol
Schritt zum chemischen "Flüssig-Computer"
Optische Transistoren: Neuer Ansatz für eine Revolution der Computertechnik
Ein nicht-invasiver Blick ins Gehirn
Erste Erfolge mit Netzhaut-Mikrochip
Nanotechnik - die Revolution des 21. Jahrhundert
"Augmented Reality" - Realität mit Zusatznutzen


Januar 2000

Wann kommt der Quantencomputer?
Adenin plus Guanin gleich Cytosin?
Ein künstlicher Blick in die Welt
Das Dobelle-Auge: die Cyberbrille für Blinde
Quantenpunkte in Reih und Glied
Fällt die Hirn-Computer-Schranke?

Fingergelenk aus dem Reagenzglas

5.12.2000

Erstes komplettes Gelenk aus laborgezüchtetem Gewebe eingepflanzt - medizinischer Durchbruch gelang Freiburger Forschern

Das weltweit erste künstliche Gelenk, das komplett in der Laborschale gezüchtet wurde, haben Freiburger Mediziner erfolgreich in einen Finger implantiert. Der Erfolg gilt als Durchbruch auf dem Gebiet des "Tissue Engineering": In dieser Sparte züchten Wissenschaftler beispielsweise Knorpel und Knochenmasse aus körpereigenen Zellen im Labor. Verschleißerscheinungen und Unfallschäden sollen sich dank dieser Technologie schon in naher Zukunft operativ beheben lassen.

Das Fingergelenk des Freiburger Patienten war bei einem Unfall zertrümmert worden. Üblicherweise wird in einem solchen Fall das Gelenk versteift und bleibt unbeweglich. Grundbestandteil des neuen Gelenks waren Knochenzellen aus der Hüfte und Knorpelzellen aus der Rippe des Patienten, die sich in einer speziellen Nährlösung vier Wochen lang vermehrten. Sie wuchsen um eine Trägersubstanz herum, eine Art dreidimensionales Gerüst für das Gelenk, berichtet Volker Kessler von der Freiburger Firma BioTissue Technologies: "Das Gerüst besteht aus abbaubaren Substanzen und wird sich mit der Zeit auflösen, so dass die neuen Zellen (den freiwerdenden Platz) übernehmen".

Chirurgen der Universitätsklinik Freiburg transplantierten das künstliche Gelenk in mehrstündiger Operation in den beschädigten Finger. Sie gehen davon aus, dass die implantierten Zellgewebe mit dem umgebenden Gewebe zusammenwachsen und ein funktionsfähiges Gelenk bilden. "Erste Röntgenaufnahmen zeigen, dass der Finger gut heilt", berichtet Kessler. Vor einigen Monaten hatte ein anderer Patient dank der selben Technik ein fehlendes Stück des Ohr-Knorpels ersetzt bekommen; auch wurden andernorts bereits einzelne Teile von Kniegelenken durch im Labor gezüchtete Knorpel und Knochen ersetzt. Zeigen solche Operationen weiterhin Erfolg, könnten sie gegen Ende kommenden Jahres allgemein verfügbar sein, sagen die Forscher.
(NewScientist und BioTissue)

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Chip-Kamera und Kunstlinse

21.11.2000

Duisburger Forscher haben eine künstliche Sehhilfe gegen die Hornhauttrübung entwickelt, die zur völligen Erblindung führen kann. Sie kann die Barriere der getrübten Hornhaut überwinden und der noch gesunden Netzhaut Bilder liefern. Dazu muss der Patient eine Brille mit eingebauter Chip-Kamera tragen. Diese Kamera sendet ihre Bilddaten drahtlos an eine Kunstlinse im Auge.

In der Linse befindet sich ein Mini-Display, das die Informationen wieder in sichtbare Bilder umwandelt und auf die Netzhaut projiziert. Die Kamera ist bereits einsatzbereit, während am ersten Display-Prototypen noch gearbeitet wird. Der winzige Bildschirm soll rund 1000 Bildpunkte auf wenigen Quadratmillimetern Fläche anzeigen können.
[Quelle: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, 20.11.00
Forschung: Uni Duisburg, Fachgebiet Mikroelektronische Systeme / Fachgebiet Optoelektronik]

(aus dem Leonardo Newsletter)

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Affenhirn bewegt Roboterarm

18.11.2000

Den Arm auszustrecken und nach einen Gegenstand zu greifen, ist nur scheinbar eine einfache Angelegenheit. Tatsächlich müssen dafür mehrere Regionen unseres Gehirns zusammen arbeiten. Amerikanischen Forschern ist es jetzt in Versuchen mit Affen gelungen, die verantwortlichen Signale zu ermitteln . Die neuronalen Impulse aus dem Affenhirn konnten sogar auf einen Roboterarm übertragen werden, berichten die Forscher.

Sie hatten einem Affen 32, einem anderen fast 100 winzige Elektroden ins Gehirn implantiert, um die an Bewegungen beteiligten Areale zu erfassen. Dann trainierten die Forscher mit den Tieren bis zu zwei Jahre lang einzelne Armbewegungen. Die Befehle, die das Gehirn an die Armmuskeln schickte, übertrugen die Forscher per Internet an einen rund 1.000 Kilometer entfernt stehenden Roboter. Dieser führte fast zeitgleich die Bewegungen der Affen aus.

Ähnliche Versuche waren auch schon mit Ratten unternommen worden. Dabei konnten allerdings nur sehr grobe motorische Funktionen erfasst werden. Mit ihren Versuchen wollen die Forscher gelähmten oder amputierten Patienten helfen. Diese sollen eines Tages künstliche Gliedmaßen über ihre Hirnströme steuern können.
[Quelle: Nature, 16.11.00, Vol. 408 No. 6810, pp 361-366
Forschung: Johan Wessberg, Miguel Nicolelis, of Duke University, Durham, North Carolina]

(aus dem Leonardo Newsletter)

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Mit Druckluft betriebene Hand für Service-Roboter fühlt sich an wie das Original. Als Prothese geeignet?

16.11.2000

Wissenschaftler des Forschungszentrums Karlsruhe haben eine künstliche Hand entwickelt, die wenig wiegt, hoch beweglich ist und sich beim Berühren natürlich anfühlt. Erreicht werden diese Eigenschaften durch sogenannte "Mikro-Fluidaktoren". Sie bestehen aus kleinen Kammern, die ihre Größe ändern, wenn sie mit Gas oder einer Flüssigkeit gefüllt werden.

Durch ihre geringe Größe lassen sie sich komplett in jeden einzelnen Finger der künstlichen Hand integrieren. Sie ermöglichen nicht nur das sichere Greifen von Gegenständen sondern erwecken durch ihre Elastizität und Weichheit auch den Eindruck einer natürlichen Hand. Da sich der Greifmechnismus weitgehend selbstständig anpasst, konnte der Aufwand für die Steuerung stark reduziert werden. Die flexiblen Fluidaktoren der Hand werden mit 3 bis 5 bar Druckluft betrieben und erzielen Kraftwirkungen von bis zu 10 N. Die Finger und das Handgelenk lassen sich unabhängig voneinander beugen.

Anwendungsgebiete für die künstliche Hand sehen die Forscher in der Medizintechnik und Robotik. Als Teil eines Service-Roboters soll die Hand zunächst älteren und behinderten Menschen bei alltäglichen Verrichtungen, wie dem Öffnen einer Tür oder dem Halten eines Getränks behilflich sein. Durch ihre Konstruktion besteht im Gegensatz zu bisherigen Roboterhänden so gut wie keine Verletzungsgefahr im direkten Kontakt mit Menschen. Ob sich die Konstruktionsweise der künstlichen Hand auch für Handprothesen eignet, wird derzeit geprüft.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Ein Fischhirn steuert einen Roboter

16.11.2000

Die Geschichte könnte den Stoff für einen drittklassigen Horrorfilm liefern. Da entnehmen Wissenschaftler einem Neunauge Hirn und Rückenmark, schließen die Nerven an einen Roboter, und der dreht nun - kontrolliert von der Masse in der Petrischale - seine Runden durchs Labor. So geschehen an der Northwestern University Medical School in Chicago.

Neunaugen (Petromyzones) sind zwölf bis 100 Zentimeter lange fischähnliche Wirbeltiere. Ihr Gleichgewicht halten sie mithilfe des so genannten Vestibularsystems. Dieses kontrolliert die Balance und die Koordination des Körpers genauso wie die Spannkraft der Muskeln. Ein Fisch, dessen Muskeln auf einer Seite verletzt wurden, verliert zunächst das Gleichgewicht, bevor das Nervensystem die Kontrolle über die Muskeln übernimmt und die Schieflage wieder ausgleicht. Diese einfachen, rückgekoppelten Prozesse nutzten die Forscher für die Steuerung eines elektromechanischen Gefährts.

Der Roboter namens Kephera verfügt über Lichtsensoren, die mit dem Gehirn des Fisches verdrahtet sind. Lichtimpulse werden auf diese Weise vom Roboter in das Gehirn geleitet und dort verarbeitet. Sodann reagiert Kephera auf die Befehle des Gehirns und steuert beispielsweise direkt auf die Lichtquelle zu. Auch Kreisfahrten oder Spiralbahnen konnte das Gerät auf diese Weise bereits absolvieren.

So absurd die Geschichte auch klingt, so hat sie doch einen überaus ernsten Hintergrund. Die Forscher liefern mit diesem Experiment einen wertvollen Beitrag in der Entwicklung menschlicher Prothesen, deren Steuerung eines Tages vielleicht direkt durch das Gehirn erfolgt.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Laserlicht lässt künstliche Muskeln spielen

13.11.2000

Polymer-Gele - der Stoff, aus dem eines Tages künstliche Muskeln werden könnten - verändern bei Bestrahlung mit Laserlicht blitzartig und wunschgemäß ihre Form. Diese Entdeckung japanischer Forscher begeistert Roboter-Konstrukteure ebenso wie Mediziner, denn sie eröffnet ganz neue Möglichkeiten. Zwar gelten Polymer-Gele, einer Mischung langer Kunststoffmoleküle in Flüssigkeit, schon lange als ideales Material für künstliche Muskeln und ähnliche Einsatzgebiete: Sie schrumpfen und dehnen sich bei Änderung der Temperatur, des pH-Werts oder bestimmter Chemikalien in ihrer Umgebung. Allerdings laufen diese Formveränderungen recht langsam ab - zu langsam etwa für einen Einsatz in einem Roboterarm.

Bestrahlt man die Gele hingegen mit Laserlicht, so verformen sie sich binnen Bruchteilen von Sekunden, berichtet Hiroaki Misawa von der Universität Tokushima. Sein Team richtete den Laserstrahl auf die Mitte eines Zylinders aus Polymer-Gel N-Isopropylacrylamid. Sofort wurde der Zylinder zur Hantel, weil sich die Mitte stark zusammenzog. Nach Abschalten des Lichts kehrte das Gel in die ursprüngliche Form zurück. Auch zahlreiche Wiederholungen brachten das Gel nicht aus der Form, so der Bericht im Fachblatt Nature.

Ursache für die Reaktion ist das labile Gleichgewicht der Kunststoff-Moleküle. Im Gel halten sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte benachbarter Moleküle gerade die Waage. Schon kleine physikalische und chemische Veränderungen können das Gleichgewicht stören und verursachen einen so genannten Phasenübergang: Das Polymer-Gel reagiert heftig mit Ausdehnen oder Zusammenfallen, kann aber die alte Phase und somit die ursprüngliche Form immer wieder annehmen.

Tatsächliche Anwendungen werden noch einige Jahre auf sich warten lassen. Doch die schnelle und genaue Reaktion macht Vieles denkbar, ebenso wie die Tatsache, dass das wasserhaltige Gel dem Körpergewebe ähnlich ist: Das Spektrum reicht von Sensoren und Aktuatoren, die Energie in Bewegung umwandeln, bis zu neuen Krebsbehandlungen und gezielter Medikamentengabe durch Gelspeicher.

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"C.D." kann mit seinen zwei transplantierten Händen wieder tasten

9.11.2000

Französische Forscher gaben jetzt auf der Konferenz der US Society for Neuroscience in New Orleans bekannt, dass ein Mann, dem in diesem Januar beide Hände transplantiert wurden, wieder "Fingerspitzen-Gefühl" hat.

Pascal Giraux vom Institut des Sciences Cognitives in Bron und seine Kollegen beobachteten den Mann, einen Gärtner, der 1996 beide Hände verlor, über die Monate nach der Transplantation. Ihre Ergebnisse zeigen nun, dass das Gehirn sich schneller auf die neue Situation einstellen kann, als bisher angenommen.

Um zu beobachten, wie das Gehirn sich im Laufe der Zeit neu organisiert, scannten die Forscher das Gehirn, des nur als "C.D." bekannten Mannes, ein halbes Jahr vor und alle zwei Monate nach der Transplantation. Während jeder Sitzung musste der Mann die Ellenbogen sowie die einzelnen Glieder jeder Hand Strecken und Beugen. Welche Hirnregion bei welcher Bewegung aktiv war, registrierten die Wissenschaftler mittels des sogenannten functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI).

In den pre-operativen Scanns stellte Giraux fest, dass der funktionelle Teil des Gehirns, der die Ellenbogenbereiche kontrolliert sich weiter ausgebreitet hat – er hatte auch den Bereich eingenommen, der vor der Amputation die Reize von den Händen registrierte. Nur zwei Monate nach der Transplantation hat die "rechte Hand" wieder einen großen Teil ihres alten Platzes im Gehirn eingenommen. Nach vier Monaten waren beide Hände wieder mehr oder weniger normal im Gehirn repräsentiert und das Empfindungsvermögen kehrte in die Hände zurück. "Es ist sehr schnell gegangen", sagt Giraux über diese Entwicklung.

Der 37jährige C.D. hatte seine beiden Hände 1996 drei Zentimeter oberhalb der Handgelenke verloren. Im Januar dieses Jahres wurden ihm zwei neue Hände von demselben internationalen Ärzteteam, das 1998 in Lyon die weltweit erste Handtransplantation durchgeführt hat, angenäht. Die Verpflanzung der Hände leitete Earl Owen zusammen mit Jean-Michel Dubernard. Zudem waren Experten für Mikrochirurgie, Orthopädie und Transplantationschirurgie aus den verschiedensten Teilen der Welt an den Operationen beteiligt.

Das Gehirn ist plastisch und kann sich in der Verteilung von Aufgaben an verschiedene Hirnregionen umstrukturieren. Beispielsweise gibt das Gehirn Blinder Teile des visuellen Kortex zu Gunsten des Tastsinns auf und in den Gehirnen Fuß-Amputierter widmen sich ehemalige Fußareale den Beinstumpen. Diese Flexibilität des Gehirns ist seit langem bekannt, aber die Geschwindigkeit, mit der C. D.s Gehirn sich zurückorganisierte, hat die Wissenschaftler überrascht.

Die mikrochirurgischen Techniken, um eine abgetrennte Hand erfolgreich wieder annähen zu können, beherrscht man theoretisch seit über 20 Jahren. Jedoch hat die Eigenschaft des Immunsystems, fremdes Gewebe abzustoßen, die Wissenschaftler lange davon abgehalten Extremitäten zu verpflanzen. So wird mit einer Hand auch Knochenmark transplantiert und mit diesem auch die individuellen Abwehrzellen des Spenders. Im Falle einer Abstoßung werden diese bevorzugt vom Immunsystem des Empfängers angegriffen. Sie können aber auch selbst einen immunologischen Angriff gegen das "fremde" Gewebe, also das des Empfängers, starten.

Wie bei allen Transplantationen muss daher auf eine möglichst gute Übereinstimmung der immunologischen Typen von Spender und Empfänger geachtet werden. Zusätzlich muss der Patient sein Leben lang Immunsuppressiva einnehmen - Substanzen, die die Abstoßungsreaktionen des Immunsystems verhindern.

Diese und weitere auf der Konferenz der US Society for Neuroscience vorgestellte Forschungsergebnisse finden Sie auf den Seiten des New Scientist.

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Dünner geht nicht: Kleinstmögliche Nanoröhren aus Kohlenstoff hergestellt

8.11.2000

Unabhängig voneinander und auf verschiedenen Wegen ist es zwei asiatischen Forschergruppen gelungen, winzige so genannte Nanoröhrchen von nur 0,4 Nanometern Durchmesser herzustellen. Die Röhrchen, große Moleküle aus Kohlenstoff, sind wahre "Tausendsassas" in der winzigen Nanowelt: Mit einem Durchmesser von weniger als einem Milliardstel Meter sind sie dünner als ein Erbgut-Strang in der Zelle. Dennoch sind sie chemisch stabil, elektrisch leitend und mechanisch belastbar. Sie lassen sie sich biegen, schneiden und zu elektronischen Schaltkreisen formen. Das verspricht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten: Von winzigen Schaltkreisen über künstliche Muskeln bis zu ultrakleinen Reagenzgläsern oder Speicherröhren in Wasserstofftanks.

Jeweils unterschiedliche Methoden der beiden Forschergruppen brachten jetzt denselben Erfolg, berichtet das Fachmagazin Nature. Das japanische Team um Lu-Chang Qin vom Unternehmen NEC Corporation setzte einen Graphitstab in eine mit Helium oder Wasserstoff gefüllte Kammer. Beim Entladen einer Bogenlampe entsteht ein Kohlenstoff-Plasma, das beim Abkühlen ineinander verschachtelte Nanoröhrchen bildet – ein einem größeren Röhrchen befindet sich jeweils ein kleines Röhrchen. Die innerste, kleinste Röhre erreichte den Rekorddurchmesser von 0,4 Nanometern.

Das chinesische Team um Zikang Tang von der Hong Kong University of Science and Technology begrenzte die Größe der Röhren mit Hilfe des Minerals Zeolith. In winzigen Kanälen in dem porösen Gestein bildeten sich aus dem Plasma ebenfalls die dünnstmöglichen Nanoröhren.

Mit 0,4 Nanometern ist die theoretische Grenze erreicht, sagen die Forscher, bevor die Kohlenstoffröhrchen ihre Struktur ändern, metallisch werden oder nicht länger hohl sind. Zwar hatten andere Wissenschaftler im vergangenen Monat sogar nur 0,033 Nanometer dünne Nanoröhrchen hergestellt, sie erwiesen sich aber als unstabil und nicht belastbar.

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Jeder Fünfte ist für Chip im Hirn

25.10.2000

Jeder fünfte Deutsche befürwortet die Verpflanzung eines Chips ins Gehirn, wenn sich die Hirnleistung dadurch verbessern ließe. Dies ist ein Ergebnis einer repräsentativen Umfrage, die das Institut für Demoskopie Allensbach im Auftrag des Deutschen Studienpreises durchführte. 1137 Personen über 16 Jahren wurden darin nach ihrer Akzeptanz für Transplantationen befragt.
Fast alle Befragten befürworten demnach Eingriffe, die ohnehin schon praktiziert werden. Die Zustimmung zu Lungenverpflanzungen z.B. liegt bei 80 Prozent. Zögerlicher werden hingegen Eingriffe beurteilt, die noch utopisch klingen. Doch immerhin 37 Prozent würden einer Gebärmutterverpflanzung zustimmen, 26 Prozent der Übertragung von einzelnen Gehirnzellen und 21 Prozent dem Einbau eines Gehirnchips.
Deutlich höher liegt die Zustimmung der Jüngeren auch zu sehr weit reichenden Manipulationen: 19 Prozent der Unter-Dreißigjährigen würden die Verpflanzung eines Gehirns akzeptieren und immerhin noch 6 Prozent die Verpflanzung des eigenen Kopfes auf einen anderen Körper. Die Ergebnisse zeigen auch, dass im Allgemeinen die Zustimmung zu Eingriffen bei Menschen mit höherer Schulbildung wächst.
[Quelle: Körber-Stiftung / Deutscher Studienpreis, 25.10.00]

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Bio-Mikrochips für die Medizin der Zukunft

29.9.2000

Die Mikrotechnik hält Einzug in die Biomedizin: Bio-Mikrochips, halb so groß wie der Durchmesser eines Haares, sollen schon bald vielfältige Aufgaben in Therapie und Diagnostik übernehmen.

Robert Michler, Chirurg an der Ohio State University, erprobt derzeit den Einsatz der Mikrochips für die Behandlung von Herzerkrankungen. Die miniaturisierten Hightech-Geräte sollen - zunächst im Tierversuch - in den Herzmuskel eingepflanzt werden und dort über längere Zeit Substanzen freisetzen, die das Wachstum von Blutgefäßen stimulieren. "Voraussichtlich in fünf Jahren werden wir mit den ersten Versuchen am Menschen beginnen", so Michler.

Eine weitere Anwendung sieht Constantino Benedetti vom James Cancer Hospital, in der besseren Schmerzbehandlung nach chirurgischen Eingriffen. Implantierte Mikrochips könnten eine regulierbare Dosierung von lokal wirkenden Schmerzmitteln über einen Zeitraum von mehreren Tagen ermöglichen. Die stärksten zurzeit verwendeten Lokalanästhetika wirken maximal acht Stunden.

Mikrochips können aber nicht nur als Mikro-Transportgefäße dienen, die kontrolliert Medikamente freisetzen. Mit Sensoren ausgestattet, sind sie zum Beispiel zur Messung von Hormonen einsetzbar. Bei über 70-jährigen Männern wären solche Mikrochips effektive Frühwarnsysteme für die Entstehung von Prostatakrebs.

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Sehfähigkeit kann mit Laser-Operation verdoppelt werden

25.9.2000

Die Steigerung der normalen Sehfähigkeit auf bis zu 250 Prozent mithilfe eines Laserstrahls wird nach Expertenansicht schon im nächsten Jahr in Europa Routine sein. Das sagte der Direktor der Züricher Universitäts-Augenklinik, Prof. Theo Seiler, am Donnerstag auf der Tagung der Augenärztlichen Gesellschaft in Berlin.

Mithilfe einer verbesserten Operationstechnik, die als Wellenfront- geführte Lasik bezeichnet wird, könnten übliche optische Fehler und Unregelmäßigkeiten des menschlichen Auges korrigiert werden.

"Zum ersten Mal wird das Sehen des normalen Auges wirklich verbessert", sagte Seiler. Er erwarte eine durchschnittliche Verbesserung auf 160 Prozent. Spitzenwerte von 250 Prozent seien möglich. Noch befinde sich die Methode aber in der Versuchsphase. Eine erste sechsmonatige Pilotstudie sei mit positiven Ergebnissen abgeschlossen worden. Ab nächstem Sommer könne das Verfahren in Europa routinemäßig angewendet werden. Momentan werde das Verfahren in den USA schon zunehmend eingesetzt.

Mit der Lasik-Technik (Laser-in-situ-Keratomileusis) wird üblicherweise Kurzsichtigkeit chirurgisch korrigiert. Dabei entfernt der Augenarzt mit einem Laserstrahl Gewebe von der Innenseite der Hornhaut. Die Operation kostet etwa 3 000 bis 4 000 Mark und wird von den Krankenkassen nicht bezahlt.

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Implantate lassen Muskeln spielen

20.9.2000

Amerikanische Chemiker haben ein Gel entwickelt, das bei Anlegen elektrischen Stroms zusammenschrumpft. Wird der Strom abgeschaltet, quillt es wieder bis zu seiner Ausgangsgröße. Das Gel könnte als eine Art künstlicher Muskel eingesetzt werden, sagen die Forscher. Sie wollen daraus intelligente Implantate konstruieren. Den Prototyp eines solchen Implantats haben sie bereits entwickelt.

Dabei handelt es sich um eine Medikamentenkapsel, die unter die Haut gepflanzt werden kann. Die Kapsel verfügt über Poren, die mit den Kunstmuskeln ausgekleidet sind. Außerdem besitzt sie Sensoren, die das Blut des Patienten ständig überwachen. Im Bedarfsfall senden die Sensoren ein Signal an die Kunstmuskeln, die sich daraufhin zusammenziehen und so die Poren öffnen.

Wenn genügend Arznei freigesetzt wurde, werden die Poren wieder geschlossen. Auf diese Weise könnten Diabetiker eines Tages unabhängig von Insulinspritzen und Blutzuckermessungen werden, meinen die Forscher.
[Quelle: Ohio State University, 20.9.00, Forschung: Marc Madou, Debbie Low, Harry Keqin He, Ohio State University, Columbus]

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Schießfreudige Roboter

2.9.2000

Wachpersonal und Alarmanlagen könnten schon bald von Robotern ersetzt werden. Thailändische Forscher haben jetzt den Prototyp eines bewaffneten "Roboguard" vorgestellt, der sich seine Ziele mit einem Infrarot-Sensor selbst sucht. Wahlweise kann der Roboter auch über das Internet gesteuert werden. So könnten beispielsweise Hausbesitzer ihr Eigentum aus der Ferne gegen Einbruch verteidigen, sagen die Entwickler.

Britische Experten warnen allerdings, der schießfreudige Roboter könne auch für harmlose Passanten zur Gefahr werden. Sie fordern deshalb, Menschen-gefährdende Roboter grundsätzlich zu verbieten. Der thailändische Prototyp besteht im wesentlichen aus einer fest montierten Pistole, die an eine Videokamera angeschlossen ist. Nach Auskunft der Entwickler sei es aber kein Problem, den "Roboguard" zu einer mobilen Variante weiterzuentwickeln.
[Quelle: New Scientist, Ausgabe vom 2.9.00, Forschung: Pitikhate Sooraksa, King Mongkut's Institute of Technology, Bangkok]

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Dem Quantencomputer einen Schritt näher

5.7.2000

Eine neue Computergeneration - der so genannte Quantencomputer - ist näher gerückt. Wissenschaftlern der Goethe-Universität Frankfurt und der Technischen Universität München ist es gelungen, fünf statt bisher drei Atome zu einem Molekül zu verbinden. Dieses neue Molekül soll Grundlage einer neuen Computergeneration werden. Das teilte die Frankfurter Universität am Montag unter Berufung auf die Fachzeitschrift "Physical Review A" mit.

Während die Hardware eines normalen Computers aus verdrahteten Mikrochips besteht, bildet im Modell der Chemiker Raimund Marx (Frankfurt) und Steffen Glaser (München) eine neu entwickelte Flüssigkeit mit Molekülen das Herz des Rechners. Jedes Molekül besteht aus einem Wasserstoff-, einem Stickstoff-, einem Fluor- und zwei Kohlenstoffatomen. In einem Magnetfeld werden die verschiedenen Eigenschaften jedes einzelnen Atoms so ausgerichtet, dass die Atome "miteinander sprechen" können, erklärte Marx.

Dadurch ist der Quantencomputer im Gegensatz zu normalen Geräten in der Lage, verschiedene Aufgaben zur gleichen Zeit zu lösen. In Zukunft soll so ein wesentlich schnellerer Zugriff auf Daten ermöglicht werden. Zurzeit befindet sich die neue Computergeneration allerdings noch im Frühstadium der Entwicklung.

Die deutschen Chemiker haben es in Zusammenarbeit mit Informatikern der Harvard Universität in Boston (USA) jetzt geschafft, die Kapazität des Computers auf so genannte Fünf-Quanten- Bits zu erweitern. Das heißt, sie können fünf zusammenhängende Atome einzeln beeinflussen. 100 Quanten-Bits Speicher sind notwendig, damit der Computer später einmal auch komplizierteste Geheimcodes knacken und Primzahlen zerlegen kann. "Dann ist die Rechnergeschwindigkeit des Quantencomputers dem normalen Computer um Längen überlegen", sagte Marx.

Mehr über die Quantencomputer erfahren Sie im bdw-Newsarchiv.
[Quelle: dpa und bdw]

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Erste Transplantation einer künstlichen Netzhaut geglückt

5.7.2000

Alan Chow, Chef des Unternehmens Optobionics Corporation, hat in jener Nacht kein Auge zugetan. In einer zweieinhalbstündigen Operation implantierten Mediziner den ersten drei Menschen seine Erfindung: eine künstliche Netzhaut. Chow ist erstaunt und erleichtert, wie glatt alles gegangen ist..

Die künstliche Netzhaut enthält 3500 mikroskopisch kleine Solarzellen, die das Sonnenlicht in elektrische Impulse umwandeln und so kranke Photorezeptoren auf der Netzhaut ersetzen können. Vor allem bei der Makuladegeneration, sowie der erblichen Augenkrankheit Retinitis pigmentosa soll sie helfen. Mindestens 30 Millionen Menschen leiden unter diesen unheilbaren Augenkrankheiten, die letztendlich zur Erblindung führen können.

Die künstliche Retina besteht aus einem Chip, der kleiner ist als ein Stecknadelkopf und nicht dicker als ein Stück Papier. Der Eingriff beginnt mit drei winzigen Einschnitten in das Weiße des Auges. Durch diese Öffnung wird die gelartige Substanz aus der Augenmitte entfernt und durch eine Salzlösung ersetzt. Anschließend injizieren die Ärzte ein wenig der Flüssigkeit durch die Netzhaut (auf dem Bild „inner retina"), so dass sich diese von ihrem Hintergrund („outer retina") löst. Hier hinein verschwindet nun der kleine Chip. Anschließend pumpen die Mediziner Luft in das Augeninnere bis sich die Netzhaut wieder an den Augenhintergrund anschmiegt. Die Luft wird in wenigen Tagen resorbiert und durch die Augenflüssigkeit ersetzt.

Die Operationen durch die Augenärzte des Chicago Medical Centers und des Central DuPage Hospitals verliefen ohne Komplikationen. Ob sie allerdings von Erfolg gekrönt sind, wird sich erst in einigen Wochen zeigen. Bis dahin müssen die Patienten unter dunklen Augenklappen ausharren.
[Quelle: Joachim Schüring und Optobionics Corporation]

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Fühlen mit Folien: Ein Drucksensor soll den Tastsinn ersetzen

28.6.2000

Ein Drucksensor könnte Ärzten beim Operieren durch kleinste Öffnungen wieder das nötige Fingerspitzengefühl geben. Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) arbeitet derzeit an einem Tastsensor, der ähnlich weich und flexibel wie die menschliche Haut ist. Auch bei Menschen, die eine Hand verloren haben, könnte der Sensor den Tastsinn wieder herstellen.

Zwei übereinanderliegende Folien sind das Geheimnis des Sensors. Denn erst, wenn die beiden Folien sich berühren, fließt ein Strom. Auf der unteren Folie sind Elektrodenstrukturen, die ineinandergreifenden Fingern ähneln, sich aber nicht berühren. Auf der oberen befinden sich leitende Silikonkautschukkegel auf isolierendem Material. Wird nun auf die Folien Druck ausgeübt, drücken sich die Kegel auf die Elektroden und verbinden sie - Strom fließt. Je größer der Druck ist, desto breiter drückt sich der Kegel, die Kontaktfläche nimmt zu und es fließt mehr Strom. Margit Biehl vom IBMT sagt dazu: "Durch die räumliche Anordnung der Drucksensoren in Form von Arrays lassen sich dann Druckverteilungen erfassen."

Der Sensor könnte also bei so genannten Schlüsselloch-Operationen dem Arzt das nötige Gefühl für die unterschiedlichen Gewebe und deren Beschaffeneit wiedergeben. Außerdem könnte er Roboter mit einem tastsinn ausstatten und schließlich sogar in Handprothesen eingesetzt werden. Menschen mit einer künstlichen Hand könnten dann wieder Gegenstände ertasten oder Krümel auf einer Tischdecke fühlen. Bis der Sensor einsatzbereit ist, werden nach Angaben des IBMT aber noch etwa zwei Jahre vergehen.
[Quelle: Cornelia Pretzer]

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"Adlerauge" durch Operation - bis zu doppelte Sehschärfe

14.6.2000

Mit einer neuen Operationsmethode können sich Menschen künftig möglicherweise ein "Adlerauge" mit bis zu doppelter Sehschärfe verpassen lassen. Bei ersten Operationen in den USA und Kanada hätten die Patienten teilweise 60 Prozent mehr Sehschärfe erreicht als natürlicherweise möglich, sagte der Präsident des 13. Kongresses der Deutschen Ophthalmo-Chirurgen, Armin Scharrer. "Wenn sich die Methode im klinischen Prozess durchsetzt, wird es eine Revolution." Während des Kongresses in Nürnberg, der morgen beginnt, wird erstmals eine solche Operation in Deutschland durchgeführt und live zu den Kongressteilnehmern übertragen. Zu der Tagung werden mehr als 3 000 Experten aus 40 Ländern erwartet.

Normalsichtige Menschen, die aus beruflichen Gründen besonders scharf sehen müssen wie Piloten, Chirurgen oder Goldschmiede, könnten sich für rund 4 000 Mark das "Superauge" modellieren lassen. "Die Methode steckt aber noch in den Babyschuhen", betont Scharrer.

Bisher seien weltweit etwa 90 Menschen mit der neuen Methode behandelt worden. Sie baut auf der so genannten Lasik-Methode auf, die bereits seit Jahren erfolgreich zur Korrektur von Fehlsichtigkeit angewendet wird. Dabei wird das Auge mit einer Kamera individuell vermessen. Ein computergesteuerter Laser beseitigt dann an der Hornhaut die von der Norm abweichenden Krümmungen, "schleift" somit die Hornhaut nach - in 95 Prozent der Fälle können stark Kurz- oder Weitsichtige nach dem Eingriff ohne Brille oder Kontaktlinsen wieder 100 Prozent scharf sehen.

Auch bei völlig Normalsichtigen sind die Krümmungen von Linse und Hornhaut allerdings nicht perfekt. "Die Netzhaut könnte eine Schärfe von 250 bis 300 Prozent abbilden", erläutert Scharrer, der in Deutschland mit anderen Augenchirurgen und Lasertechnikern zusammen an der neuen Methode arbeitet. "So entstand die Idee, der Natur auf die Sprünge zu helfen - und die Optik des Auges zu perfektionieren." Per Computer wird individuell der so genannte "Verzeichnungsfehler" errechnet - und die Hornhaut nachmodelliert.

Die Folgen für die künstlich scharfsichtig gemachten Menschen von morgen sind allerdings unklar. "Wir wissen nicht, wie sich jemand fühlt, der so scharf sieht", räumt Scharrer ein. Die bisher als glatt empfundene Haut von Menschen sehe möglicherweise plötzlich grobporig oder faltig aus. Im Fernsehen könnte statt des Bildes Schneegestöber zu sehen sein - weil das Auge dann besser auflöst und die einzelnen Bildpunkte sichtbar werden lässt. In jedem Fall müsse sehr genau geprüft werden, für wen die Methode in Frage komme. Scharrer: "Es ist eine Zukunftsfiktion."
[Quelle: dpa]

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Halb Fisch, halb Maschine - Fischgehirn steuert Roboter

13.6.2000

Im Forschungslabor der Northwestern University in Chicago "lebt" ein Roboter, dessen mechanischer Körper von den Befehlen eins Fisch-Hirns gesteuert wird. Das umstrittene Experiment soll allerdings nicht die Hirntransplantation von Menschen vorbereiten. Stattdessen, so das Forscherteam um Ferdinando Mussa-Ivaldi, gehe es um die Kommunikation zwischen Neuronen und Maschinen. "Wir werden in der Lage sein, bessere Gliederprothesen und Geräte für behinderte Menschen zu bauen", so Mussa-Ivaldi, und denkt an Prothesen, die sich direkt mit dem Hirn steuern lassen.

Das "künstliche Tier" enthält lediglich einige Nervenzellen aus dem Hirn eines aalähnlichen Fisches: dem Meeres-Neunauge Petromyzon marinus. Diese Zellen reagieren auf Lichtreflexe, die von Lichtsensoren gemeldet werden, und veranlassen so die Robotermechanik zur Bewegung: Der Köper folgt dem Licht, wendet sich ab oder bewegt sich im Kreis.

Mussa-Ivaldi und seine Kollegen von der Northwestern University, der University of Illinois und der italienischen Universität Genua entnahmen einem Neunauge unter Vollnarkose den Hirnstamm und Teile des Rückenmarks. In einer Nährlösung verbanden sie eine Gruppe besonders großer und leicht zugänglicher Neuronen mit Elektroden – ein Teil führte zu optischen Sensoren, der andere zur elektronischen Steuerung des Robotermotors. So verarbeiten die Nervenzellen die ankommenden "Sinneseindrücke" der Sensoren und geben Kommandosignale über die motorischen Nervenzellen an den Motor weiter.
[Quelle: Dörte Saße, NewScientist]

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Neue Knochen aus Haut und Zahnfleisch

24.5.2000

US-Forschern ist es gelungen, aus veränderten Haut- und Zahnfleischzellen Knochengewebe wachsen zu lassen. Dabei entstanden komplette Knochen mit harter Außenschicht, innerer Schwammstruktur und Knochenmark im Zentrum. Dank dieser Methode könnte Transplantation von Knochengewebe in Zukunft einfacher und weniger schmerzhaft sein.

Das Team um Bruce Rutherford und Paul Krebsbach von der Abteilung Zahnmedizin der University of Michigan arbeitete mit Gewebezellen, um bei Laborratten große Löcher im Schädelknochen zu schließen. Sie veränderten Zellen aus Haut- oder Zahnfleischgewebe so, dass sie ein Protein namens BMP-7 produzierten, welches das Knochenwachstum fördert. Auf Kollagenschwämmchen platzierten sie die Zellen dorthin, wo die Lücken im Knochen zu schließen waren. Zur eigenen Überraschung, so Rutherford, lieferten die Zellen nicht nur das Protein, sondern bildeten selbst Teil des neuen Knochens. Innerhalb von nur vier Wochen waren die Löcher im Schädel geschlossen, so der Bericht in der Zeitschrift Human Gene Therapy.

Bisher ist es üblich, für eine Knochentransplantation mit einer langen Nadel Mark direkt aus dem Zentrum eines großen Knochens zu entnehmen oder chirurgisch ein Stück herauszuschneiden, meist aus der Hüfte. Dank der neuen Methode ließen sich in Zukunft Zellen von leichter zugänglichem Gewebe nutzen, das auch schneller heilt. Besonders hilfreich wäre dies auch bei vielen Fällen von Knochenbrüchen, wo der Heilungsprozess langsam und schwierig ist, weil nur noch wenige Zellen im Knochen zu neuem Wachstum imstande sind.

Das Team will nun erforschen, ob die Knochen, die wie natürliche Knochen aussehen, auch wie natürliche Knochen funktionieren. Zudem experimentieren sie mit einem so genannten Hydrogel, das die Zellen statt der Kollagenschwämmchen an Ort und Stelle bringen könnte. Das spezielle Gel, das im kühlen Zustand flüssig und bei Körpertemperatur fest wird, könnte in die Bruchstelle eines Knochens gespritzt werden und die Zellen dort so lange am Platz halten, bis der Knochen nachgewachsen ist.
[Quelle: Dörte Saße]

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Nanotechnologie - Intelligente Tinte trocknet zu mikroskopisch kleinen Maschinen

12.5.2000

Intelligente Tinte könnte schon bald die Nanotechnologie revolutionieren. Wissenschaftlern der Sandia National Laboratories ist die Entwicklung einer Tinte gelungen, die sich beim Trocknen in mikroskopisch kleine Strukturen verwandelt – eine Ansammlung kleiner Poren, die untereinander verbunden sind.

In diese Poren können sich nun bestimmte Moleküle einlagern. Wenn eine derartig gedruckte Struktur verschiedenen Gasen, Flüssigkeiten, Laserlicht, elektrischen oder magnetischen Felder ausgesetzt wird, können diese Moleküle wie kleine Detektoren wirken: "Das ist ein Analysengerät, das sich selbst konstruiert", meint der Projektleiter Jeff Brinker vom Center for Micro-Engineered Materials der University of New Mexico.

Die Herstellung derartiger Sensoren wäre somit ohne jeden konstruktiven Aufwand möglich. Aufwändige Nanostrukturen könnten direkt vom Computer über einen ganz normalen Tintenstrahldrucker hergestellt werden. Je nach Beschaffenheit der Tinte würden so innerhalb von Sekunden mikroskopisch kleine Sensoren entstehen, die in Tausenden von unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden könnten.

Mehr über Nanotechnologie erfahren Sie im bdw-Newsarchiv.
[Quelle: Joachim Schüring und Sandia National Laboratories]

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US-Forscher ordnen gezielt Moleküle an. Auf dem Weg zur Nanotechnologie

18.4.2000

US-Forschern gelang das geplante und gezielte Anordnen winziger Moleküle, die selbst unter leistungsstarken Mikroskopen kaum zu sehen sind. Sie ahmten die so genannte "geordnete Selbst-Anordnung" von Molekülen nach, die in der Natur - etwa bei Eiskristallen - häufig vorkommt, doch mit synthetischen Molekülen im Labor sehr schwer zu erzeugen ist.

Die Chemiker der University of Massachusetts kombinierten typische Techniken, um kleine Moleküle in eine gewünschte Form zu bringen, mit Techniken zum Anordnen großer Strukturen, so der Bericht im Fachblatt Nature. Ergebnis: Sie können große, künstliche Strukturen schaffen, während sie deren Form Atom für Atom kontrollieren.

Diese Methode dürfte Auswirkungen auf den wachsenden Bereich der Nanotechnologie haben - von der Entwicklung hochempfindlicher Sensoren, die etwa Sprengstoffe oder Krankheitserreger "erspüren" können, bis zur Entwicklung schnellerer Computer.

"Dinge klein zu machen, ist für die Industrie sehr wichtig", erklärt Chemie-Professor Vincent Rotello, der Leiter des Forschungsteams. "Wenn Transistoren aus einzelnen Molekülen effektiv angeordnet werden könnten, würden eine Milliarde bis eine Million mehr Transistoren auf die gleiche Fläche eines heutigen Chips passen." Das Hauptproblem des Teams war, mit quasi nicht zu erkennenden Legosteinen bauen zu wollen. Sie entwickelten gleichartige Einzelstücke, die sie bis zu sichtbaren Mengen anhäuften: Aus Goldmolekülen von nur zwei Nanometern Durchmesser, fünfzig mal kleiner als ein kleiner Virus, Schwefel-Atomen an den Bindungsstellen und einer Form von Polystyrene "bastelten" sie ihre Puzzleteile. Sie passten in extrem geordneter Weise ineinander und eine formten eine perfekte, dicht gepackte Kugel aus 7000 Gold-Partikeln - rund 100 Nanometer im Durchmesser. "Diese Goldkugeln können wir dann anordnen, von der molekularen bis zur makroskopischen Ebene", so Rotello. "Diese Strategie nennen Wissenschaftler und Ingenieure 'multi-scale ordering' (Ordnung in mehreren Maßstäben."

Der selbe Prozess in anderen Temperaturbereichen ergab weitere überraschende Ergebnisse: Bei minus 10 Grad Celsius verknüpften die Goldkugeln sich zu einer Art Netzwerk, bei minus 20 Grad Celsius ordneten sie sich zu einer Art Riesenkugel von der Größe einer Bakterie an - mit mehr als 2 Millionen Teilchen und einem Durchmesser von 1500 Nanometern.
[Quelle: Dörte Saße und EurekAlert]

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Bioreaktor verbessert, in dem eines Tages künstliche Organe wachsen könnten

17.4.2000

Wissenschaftlern ist ein weiterer Schritt gelungen, um differenzierte menschliche Zellen in einem künstlichen Medium züchten. Mit der Technik könnten Ärzte eines Tages künstliche Organe für herstellen. "Wir haben die Grundlage dafür gelegt, dass künstlich gewachsene Zellen spezialisierte Eigenschaften aufweisen - genau wie Körperzellen ", sagt Douglas Kniss von der Ohio State University.

Die Wissenschaftler konnten den bereits bestehenden Faserbett-Bioreaktor verbessern. In diesem Reaktor befinden sich mikroskopisch kleine Polymerfasern. An den Fasern verankern sich die lebenden Zellen und vermehren sich, als würden sie an einem Strang menschlicher Proteine kleben. Das flüssige Nährmedium strömt - den Blutfluß im Körper nachahmend - ständig durch den Bioreaktor.

Mit einer neuen thermalen Technik gelang es den Wissenschaftlern, den Faserabstand zu variieren. Dies war der entscheidende Schritt, um Zellen kontrolliert und differenziert wachsen zu lassen: Mit einem Faserabstand von durchschnittlich 30 Mikrometern vermehrten sich die Zellen sehr schnell. Dies entspricht der Anfangsphase der menschlichen Entwicklung, in der die Zellen beginnen, einen Körper zu formen. Mit einem größeren Faserabstand (40 Mikrometer), gab es keine Verbindung mehr zwischen verschiedenen Zellen. Die Folge: Die Zellen wuchsen langsamer und formten klumpenartige Gebilde in dem Fasermedium. Diese Art zu wachsen findet man bei menschlichen Zellen kurz bevor sie differenzieren und verschiedene Organe bilden.

Kniss und seine Kollegen haben selbst noch nicht die Absicht, ganze Organe auf diese Weise zu züchten. Es gibt jedoch andere Labore, in denen Wissenschaftler mit ähnlichen Techniken daran arbeiten, Knochen oder Organe wachsen zu lassen.
[Quelle: Iris Schaper und Ohio State University]

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40.000 mal effizienter: magnetische Mikrochips

12.4.2000

Als Alternative zu elektronischen Chips wird nun eine neue Generation von magnetischen Mikrochips an der Universität Cambridge entwickelt. Der Chip benutzt magnetische Felder, um Informationen zu verarbeiten. Eine Version dieses Speichers war um 40.000 mal effizienter als momentan gebräuchliche Chips.

Die zwei großen Unterschiede zwischen elektronischen und magnetischen Chips sind die Größe und der Energieverbrauch. Die meisten elektronischen Chips enthalten 6,6 Millionen Transistoren auf einem Quadratzentimeter. Die Cambridger Wissenschaftler haben gezeigt, dass 5.500 Millionen Transistoren auf derselben Fläche Platz haben.

Elektronische Chips verbrauchen Energie während der Operationen, der Magnet hingegen nicht. Das bedeutet, dass Computer, die magnetische Mikrochips benutzen, wesentlich weniger Energie verbrauchen.
[Quelle: Eva Manhardt]

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Neuer Optochip soll Echtzeit-Kommunikation ermöglichen

10.4.2000

Ein neuartiges elektronisches Bauteil soll Kommunikation in Echtzeit ermöglichen. Der sogenannte Optochip verwandelt elektrische Signale in optische, und das blitzschnell: In einer Sekunde übersetzt er Informationen, die 100 Gigabytes entsprechen. "Man wird nicht mehr warten müssen, bis der Computer etwas aus dem Internet heruntergeladen hat, nicht einmal bei den größten Dateien"" sagt Larry Dalton, Chemiker an der University of Washington und der University of Southern California. Der Optochip könnte auch in Steuergeräten für die Kommunikation über Radar und Satelliten Anwendung finden.

Der neue Chip ist aus Chromophoren aufgebaut. Das sind Atomgruppen, die eine Verbindung durch selektive Lichtabsorption farbig erscheinen lassen. Sich deren elektrooptischen Eigenschaften zunutze zu machen, ist das Ziel umfangreicher und langjähriger Forschungsbemühungen. Das größte Problem dabei: Die elektrischen Felder der farbgebenden Molekülteile beeinflussen sich gegenseitig. Die Forscher um Dalton haben jetzt die Gestalt der Chromophore so geändert, dass sie ungestört bleiben, selbst wenn sie äußerst dicht gepackt werden.

Mithilfe des neuen Chromophordesigns konnten die Wissenschaftler einen Chip bauen, der sich durch eine besonders große Bandbreite auszeichnet. Ein weiterer Vorteil des elektrooptischen Wandlers: Er arbeitet bei Spannungen unter einem Volt.

Das haben Wissenschaftler der Tacan Corporation in Carlsbad, Kalifornien, bestätigt. Sie haben mit dem Opto-Chip elektronische Signale des Kabelfernsehens in optische Information verwandelt. Auch bei anderen Anwendungen, so die Ergebnisse des Lockheed Martin Corp.'s research laboratory in Palo Alto in Kalifornien, zeigte der Chip ähnlich gute Eigenschaften.
[Quelle: Andrea Hoferichter und Reuters]

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Neue Ein-Molekül-Magneten für dichteres Datenspeichern

28.3.2000

Chemiker in Indiana haben neue Moleküle entwickelt, die bei tiefen Temperaturen wie einzelne Magneten agieren und die Dichte gespeicherter Daten auf das Zehntausendfache heutiger Festplatten steigern könnten.

Solange digitale Daten auf Festplatten oder DVDs noch auf Magnetbasis gespeichert werden, spielt die Größe der einzelnen Speichereinheiten eine Rolle: Je kleiner die Magnetpartikel, desto mehr Informationsbits lassen sich auf gleicher Fläche ablegen. Zudem müssen die Partikel für ein einheitliches Verhalten möglichst gleichförmig sein.

"Derzeit ist es ein Problem, wirklich kleine, nanometergroße magnetische Partikel aus Eisen, Eisenoxid oder anderen bisher bekannten magnetischen Materialien herzustellen", berichtet George Christou, Chemieprofessor an der Indiana University. "Meine Gruppe macht Moleküle, die das Metall Mangan enthalten, wesentlich kleiner als derzeit Verwendete Partikel. Jedes Molekül kann als ultrakleiner Magnetpartikel betrachtet werden. Dies verspricht den Weg zu den ultimativen Datenspeichergeräten mit hoher Datendichte."

So genannte Ein-Molekül-Magneten (single-molecule magnets (SMM)) bieten zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Magnetpartikeln im Nanometerbereich - etwa ihre einheitliche Größe, ihre Lösbarkeit in organischen Lösungsmitteln und die relativ einfach zu verändernden angelagerten Atomgruppen, die Liganden. Einen Rekord der Firma IBM aus dem vergangenen Jahr, eine Speicherdichte von 3 Gigabit Information pro Quadratzentimeter auf Basis eines magnetischen Kobalt-Materials, glaubt Christous Gruppe leicht toppen zu können. "Die wesentlich kleinere Größe unserer Moleküle bedeutet, dass wir 30.000 Billionen davon auf einen Quadratzentimeter packen könnten, damit ist eine Speicherdichte von 30.000 Terabit machbar. Das ist 10.000 mal mehr als die derzeitige Bestmarke von IBM", so Christou.

Die Herausforderung für sein Team sei nun, SMMs zu finden, die auch bei höheren Temperaturen, möglichst ungekühlt, funktionieren. Das Team präsentierte seine Ergebnisse auf dem 219. Jahrestreffen der American Chemical Society in San Francisco.
[Quelle: Dörte Saße, EurekAlert]

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Winzige Magnetpartikel für riesige Datenmengen auf der Festplatte

22.3.2000

Einen Durchbruch in Richtung immer leistungsfähigere Datenspeicher verkünden US-Forscher: Ihr chemisches Verfahren bringt winzige Magnetpartikel von nur vier Nanometern Durchmesser dazu, sich regelmäßig anzuordnen. Damit können dünne Speicherfilme zehnmal mehr Daten speichern als heute üblich - möglicherweise werden in Zukunft damit sogar größere Datenmengen erreichbar sein, so die Experten.

Heute stellt man typische Festplatten her, indem eine Kobaltlegierung unter Vakuum auf eine Oberfläche aufgesprüht und dann "gebacken" wird. Ergebnis ist ein Material aus 15 bis 20 Nanometer großen Körnern. Mehrere Hundert davon richtet ein heutiger Schreib- und Lesekopf eines Laufwerks magnetisch aus, wenn er Daten darauf ablegt. Das Schrumpfen dieser Körner hat in den letzten Jahren die Kapazität der Laufwerke immer weiter erhöht, allerdings stößt es jetzt an eine Grenze: Viele Materialien verlieren ihr magnetischen Eigenschaften, wenn die Teilchen unter 10 Nanometer schrumpfen, andere bleiben magnetisch, aber neigen zum Zusammenklumpen, statt eine flache Schicht zu bilden.

Das Team um Shouheng Sun vom T. J. Watson Research Center der Firma IBM löste mit seinem neuen Verfahren beide Probleme. Statt des Aufsprühens mischten sie eine chemische Lösung, in der sich unter anderem Eisen- und Platin-Salze sowie Seifenmoleküle befanden. Während Eisen- und Platin-Atome der gelösten Salze sich fanden und wachsende Partikel formten, stoppten die Seifenmoleküle das Wachstum bei genau 4 Nanometern. Auf eine Oberfläche gegossen, ordneten sich die Partikel in schönster Regelmäßigkeit an und wurden im Backofen so fixiert.

Mit dieser Methode lassen sich sowohl die Größe der Partikel als auch ihr Abstand voneinander genau kontrollieren, so der Bericht im Fachblatt Science. Allerdings handelt es sich um reine Grundlagenforschung, betont Sun, die Marktreife solcher Datenspeicher lasse sich noch nicht festlegen. So ist es auch Zukunftsmusik, die Speicherkapazitäten noch einen weiteren großen Sprung nach vorn zu bringen: Wenn es den Wissenschaftlern gelingt, mit Schreib- und Leseköpfen jeweils nur ein einzelnes Körnchen magnetisch auszurichten, dann wären sogar Datenmengen von bis zu 6 Terabit pro Quadratzentimeter erreichbar.
[Quelle: Dörte Saße, InScight]

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Der kleinste Pflug der Welt - Nanogravur von Oberflächen

20.3.2000

Für die Herstellung immer kleiner werdender Computerchips werden auch immer feinere Werkzeuge benötigt: Hannoversche Forscher präsentieren einen winzigen "Pflug", der Furchen von nur einigen Nanometern Breite "pflügt", rund 1000 mal feiner als ein menschliches Haar. Dazu wandelten sie ein Rasterkraft-Mikroskop ab, dessen Spitze üblicherweise immer dicht über der Oberfläche bleibt und elektrische Widerstände zwischen Spitze und Material misst.

"Bei der Produktion von heutigen Mikroprozessoren stößt man mit den herkömmlichen optischen Verfahren an die Auflösungsgrenze. Mit unserer Methode ist es möglich, noch kleinere Transistoren herzustellen und insbesondere auch völlig neue Transistorkonzepte zu verwirklichen," erklärt Rolf Haug, Professor an der Abteilung Nanostrukturen des Instituts für Festkörperphysik. Die hochfeine Spitze des Rasterkraft-Mikroskops, nur ein Atom breit, taucht wie eine Gravurnadel in die Oberfläche des Halbleitermaterials ein und verschiebt die umliegenden Atome. Dabei lässt sich gleichzeitig der elektrische Widerstand messen - der Transistor auf dem Mikrochip kann so schon bei der Herstellung geprüft werden. Mit Nanogravur lassen sich aber auch Metalle gravieren, oder einzelne DNA-Moleküle strukturieren und anordnen. Zudem kann auf üblicherweise verwendete Chemikalien und spezielle Laborbedingungen verzichtet werden, die unkomplizierte Methode funktioniert bei Raumtemperatur und an der Luft. Haugs präsentiert den Nano-Pflug auf der Hannover-Messe.
[Quelle: Dörte Saße, idw]

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Neue Methode lässt Goldpartikel nanofeine Siliziumdrähte "spucken"

14.3.2000

Einen Durchbruch in der Herstellung extrem dünner Drähte vermelden zwei US-Forscher im Fachblatt Science. Fünfundzwanzigmal feiner als bislang technisch möglich seien ihre "Nanodrähte" aus Silizium - sie sollen das Nervengeflecht zukünftiger Computer bilden, wenn eine weitere Miniaturisierung herkömmlicher Technik nicht mehr möglich ist. Auch in so genannten optoelektronischen Geräten wie Sensoren, Lasern oder Bildschirmen sollen sie zum Einsatz kommen.

Die neue Produktionsmethode könnte außerdem völlig neue Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften möglich machen, so die Forscher. Je kleiner Computerbauteile sind, desto schneller und leistungsfähiger sind sie im allgemeinen - doch die Elektronikindustrie nähert sich inzwischen den Grenzen der Miniaturisierung: "In fünf bis zehn Jahren werden Computerchips bei herkömmlicher Herstellung nicht mehr verkleinert werden können", so Brian Korgel, Professor für Chemie-Ingenieurwesen an der University of Texas in Austin. Den 100 Nanometer-Drähten, die die Industrie sich als Zehnjahresziel gesteckt hat, können Korgel und Kollege Keith Johnston heute schon Drähte von vier Nanometern, Millionstel von einem Millimeter, entgegensetzen. Erste Prototypen entsprechender Schaltkreise sollen bald folgen.

Die Forscher nutzten winzige Klümpchen von Goldatomen, die in einer so genannten superkritischen Flüssigkeit mit Silizium-Atomen "gefüttert" werden. Die Goldklümpchen, auch Nanokristalle oder Quantenpunkte genannt, bestanden aus nur 100 oder 200 Goldatomen. Der Flüssigkeit fügten sie freie Siliziumatome hinzu, die es dann ins Innere der Nanokristalle zog, berichten die Forscher. Wenn dort die Konzentration zu groß werde, "spuckten" die Goldklümpchen das Silizium als gleichförmige Drähte wieder aus.

Unter normalen Umständen würden die Atome im Versuchsaufbau ein Gas bilden, so Korgel. Der extrem hohe Druck und die hohe Temperatur verhinderten dies jedoch. "Wir haben superkritische Flüssigkeiten zur Kontrolle chemischer Reaktionen bereits seit 15 Jahren eingesetzt, aber nie für Materialien auf der Nanoebene", berichtet Johnston. Für ihre revolutionäre Methode sehen die Forscher eine große Zukunft voraus: Statt Materialien mit gewünschten Eigenschaften lange zu suchen, werde man sie eines Tages wohl nach Bedarf selber herstellen können.
[Quelle: Dörte Saße, EurekAlert, UTexas]

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Kleinste Umlaufbahnen der Welt: Quantenpunkte bringen Quantencomputer ein Stück näher

13.3.2000

Auf den kleinsten "Rennbahnen" der Welt, so genannten Quantenpunkten, laufen Elektronen vorzugsweise nur in einer Richtung im Kreis - wenn ein bestimmtes Magnetfeld anliegt. Diesen theoretisch erwarteten Quanteneffekt konnte ein deutsch-amerikanisches Forscherteam im Experiment nachweisen, vermelden sie im Fachblatt Physical Review Letters. Solche winzigen Vorrichtungen könnten eines Tages eine wichtige Rolle bei der Konstruktion von Quantencomputern spielen, die wesentlich leistungsfähiger und kleiner sein sollen als die heute modernsten Rechner.

Quanteneffekte beschreiben das seltsame, scheinbar unlogische Verhalten von Materie, wenn die Forschung in winzige Größenbereiche vorstößt. So können sich Teilchen nach den Gesetzen der Quantenphysik gleichzeitig an verschiedenen Orten gleichzeitig aufhalten. Das Team um Axel Lorke von der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität und Kollegen der University of California in Santa Barbara (UCSB) konstruierten auf einer Halbleiteroberfläche ein Feld von Quantenpunkten von nur fünfzig Millionstel Millimeter Durchmesser. Diese Ringe, die kleinsten jemals hergestellten mit noch messbarem Stromfluss, beherbergten ein oder zwei Elektronen und zeigten bei angelegtem Magnetfeld in bestimmter Stärke einen deutlichen Quanteneffekt.

Für gewöhnlich richtet sich ein Elektron ohne überschüssige Energie nicht in eine bevorzugte Richtung aus. Schießt es aber im Ring eines Quantenpunkts herum und ein unterliegt einem bestimmten Magnetfeld, so richtet es sich aus und dreht seine Runden nur in eine Richtung. Diese definitive Ausrichtung in eine von zwei Richtungen gibt dem System zwei definierte Zustände wie "0" und "1", die eines Tages die Grundlage von Quantencomputern darstellen könnten.
[Quelle: Dörte Saße, bbc]

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Virtuelle Realität für Chirurgenhände

2.3.2000

Auch in Zukunft wird nicht jede Operation von Robotern übernommen werden, echten Chirurgen bleibt genug zu tun, erwartet die Medizinerschaft -- und nutzt die moderne Computer- und Robotertechnik, um zukünftige Chirurgen besser auszubilden. Ein australisches System soll angehende Mediziner heikle Operationen im Detail üben lassen, bevor sie an einen lebenden Patienten gelassen werden.

Sie operieren zunächst in der virtuellen Realität: Sie sehen einen Körper, vom Computer in drei Dimensionen und allen Details wiedergegeben -- und fühlen ihre Aktionen an diesem "Körper", ob sie nun in Gewebe schneiden oder auf einen Knochen treffen. Das Operationssystem ist eine Anwendung der so genannten Haptischen Werkbank (Haptic Workbench), entwickelt vom staatlichen australischen Forschungsinstitut CSIRO und dem Advanced Computational Systems Cooperative Research Centre (ACSys).

"Was das System wirklich besonders macht, ist, dass die Objekte, die es wiedergibt, gefühlt und bearbeitet werden können. Dieser 'haptische' Aspekt ermöglicht es, auch kritische Prozeduren realistisch zu simulieren", so der CSIRO-Wissenschaftler Duncan Stevenson. Auf das Gefühl, wie die Spritze durch Haut und Vene stößt, folgen ebenso realistische Bilder, wie sie sich mit Blut füllt. Während der "Operation" lässt sich der Fortschritt der Übenden überwachen: Winkel und Druck der Skalpellschnitte wird ebenso gespeichert wie Schäden am "Gewebe" und ähnlichen Daten, die mit dieser Genauigkeit bei Vorläufersystemen nicht möglich war.

Dabei kann das System die Daten tatsächlicher Patienten wiedergeben, so dass auch gestandene Ärzte vor einer heiklen Operation die kritischen Schritte erst einmal üben können. Der Nutzer trägt eine 3D-Brille, die ihm die hochauflösenden Computerbilder direkt in den Blick rücken, und hält einen Roboterarm, der gleichzeitig der Aktion und der Rückmeldung dient. Kleine Motoren kontrollieren die Bewegungen des Arms und seinen Widerstand, so dass tatsächlich der Tastsinn des Übenden angesprochen wird. "Der Arm ist stärker als Du. Wenn also die Software sagt, etwas geht nicht -- wie etwa die Nadel durch Knochen hindurchzustechen -- dann ist es Dir einfach unmöglich, den Arm dazu zu bringen", so Stevenson.

Noch ist das System in der Entwicklung und erfordert eine Menge Arbeit, bevor sein Einsatz zur Routine im Chirurgentraining wird. "Wir müssen noch eine riesige Menge anatomischer und physischer Daten sammeln, um die 3D-Bilder des Körpers zu erzeugen", so Stevenson. "Dann muss die Software für spezielle Typen der Chirurgie entwickelt werden."

Neben der Medizin ist das System aber auch für andere Bereiche von Interesse, etwa für die Luftfahrt, Biotechnologie, den Bergbau oder auch Design und Herstellung von Produkten.
[Quelle: Dörte Saße, ScienceDaily, CSIRO]

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Bio-Computer aus Erbgut-Strängen löst Schachprobleme

2.3.2000

Herkömmliche Schachcomputer sind heute gang und gäbe, Supercomputer traten bereits gegen internationale Großmeister des Brettspiels an -- jetzt lösten US-Wissenschaftler mit Hilfe eines so genannten RNA-Computers ebenfalls erste Schachprobleme.

Solche Computer auf der Basis von "Erbgut-Ketten" im Reagenzglas gelten als zukünftige Alternative zu Computern aus Silizium-Chips. Die DNA oder RNA in einem einzigen Reagenzglas soll, zumindest theoretisch, Billionen von Rechenvorgängen gleichzeitig ausführen und in einem kleinen Glas Millionen mal mehr Informationen speichern können als die heute größten verfügbaren Computerspeicher. Wie ein herkömmlicher Computer "rechnet" ein DNA-Computer mit Hilfe von Nullen und Einsen -- allerdings werden diese nicht als Zustand eines elektronischen Schaltelements, als "An" oder "Aus" abgelegt, sondern in der Abfolge einzelner chemischer Basen in verschiedenen Strängen aus Nukleinsäuren. In solchen Abfolgen ist in Chromosomen auch das gesamte Erbgut von Lebewesen gespeichert.

Laura Landweber und ihre Kollegen der Princeton University konstruierten ihren Schach-Computer auf der Basis von RNA-Strängen, die sehr ähnlich aufgebaut sind wie DNA-Stränge -- die DNA dient in den Zellen als Speicher der Informationen, die RNA als Hilfsstruktur beim Kopieren und beim Umsetzen der Information in Proteine. Landwebers Ziel: den "Erbgut-Computer" alle möglichen Stellungen von beliebig vielen Springern auf einem Schachbrett herausfinden zu lassen, bei denen keine der Figuren eine andere bedroht. Da auf einem normalen Schachbrett mehr als 1019 Stellungsvarianten beliebiger Figuren möglich sind, reduzierte man das Brett auf nur neun Felder, drei mal drei und von links oben durchnummeriert. Dies lässt immer noch 512 mögliche Varianten zu, beliebig viele Springer aufzustellen. Darunter sind 94, bei denen sich die Springer nicht gegenseitig bedrohen.

Um diese zu repräsentieren, erstellte Landwebers Team ein RNA-Molekül mit zehn eindeutigen Sequenzen aus je 15 Bausteinen, den Nukleotiden. Neun der Sequenzen repräsentierten den Zustand eines der neun Felder -- "Springer ja" oder "Springer nein" -- und die zugehörige Feldinformation, die zehnte Sequenz diente der Reserve. Um den Computer arbeiten zu lassen, begannen sie mit RNAs, die alle 512 möglichen Stellungen von Springern auf dem vorgegebenen Feld wiedergaben. Zusammengefasst und in zwei Gruppen geteilt, zerstörten sie in der ersten Gruppe per Enzym alle Kettenmoleküle, bei denen die Position Eins auf "Springer ja" stand. In der zweiten Gruppe wurden alle RNA-Ketten zerstört, bei denen entweder Position Sechs oder Acht auf "ja" standen: jene zwei Felder, von denen aus ein Springer die Position Eins angreifen kann. Wieder zusammengemischt, repräsentierte der RNA-Pool Schachbretter, in denen Feld Eins leer war, wann immer auf Position Sechs oder Acht ein Springer stand. Diese Prozedur wiederholten die Wissenschaftler mit jedem anderen Paar von sich gegenseitig ausschließenden Springer-Stellungen und untersuchte das Ergebnis: 43 zufällig herausgegriffe Moleküle enthielten 31 der 94 möglichen Lösungen, nur eins war nicht korrekt.

Damit untermauerten die Forscher die Möglichkeiten eines RNA-Computers. Dessen Stärke in der Praxis soll darin liegen, aus einer riesigen Menge von Varianten optimale Strategien herauszufinden.
[Quelle: Dörte Saße, NewScientist (aus: Proceedings of the National Academy of Sciences)]

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Neuartiger Datenspeicher

2.3.2000

Die US-Entwickler eines neuartigen Typs von Datenspeicher vermelden das Erreichen eines Meilensteins: Die grundlegende Entwicklung ist abgeschlossen, der sogenannte VRAM-Speicher habe die Phase des Testens und der Fehlersuche erreicht.

VRAM oder "Vertical Giant Magnetoresistance Random Access Memory" stammt aus dem militärischen Office of Naval Research (ONR) und der Carnegie Mellon University. Die Speichertechnologie könnte in Zukunft viele der heute üblichen Datenspeicher ersetzen, darunter etwa CDs und Computer-Festplatten.

VRAM-Speicher soll das Ablegen von Daten sicherer, schneller und kostengünstiger machen und hundert- bis tausendfache Datenmengen speichern. Im Gegensatz zu heutigem dynamischen RAM-Speicher müssen die zwischengespeicherten Informationen nicht ständig wieder aufgefrischt werden. Die heute schon existierende statische RAM-Version hingegen ist teuer und benötigt eine Menge Platz auf den Chips. VRAM hingegen bietet hohe Datendichte, sicheren Ablage, hat keine beweglichen Teile, ist unempfindlich gegen Strahlung und benötigt wenig Strom -- Vorteile, so seine Entwickler, die es geradezu prädestinieren für Anwendungen in der Flugelektronik, der Raumfahrt oder an Bord von Schiffen.

Auch die Produktion der neuen Technologie soll keine großartigen neuen Kosten aufwerfen, so die Entwickler um Larry Cooper vom ONR-Programm. "Eines Tages wird es möglich sein," sagt Cooper, "die VRAM-Zellen mit nur wenigen Abänderungen auf den in bestehenden Fertigungsstraßen für Siliziumspeicher herzustellen."
[Quelle: Dörte Saße, EurekAlert, ONR]

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Fortschritt in der Nanotechnologie mit Kunststoff Polystyrol

29.2.2000

Ullrich Steiner und Erik Schaffer von der Universität in Groningen und Tom Russell und Thomas Thurn-Albrecht von der University of Massachusetts berichten in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature über einen Fortschritt in der Nanotechnologie. Ihnen gelang es ganz ohne Chemie in einen dünnen Film aus dem Kunststoff Polystyrol eine Struktur durch ein elektrisches Feld einzuprägen. Ein Hauptziel der Nanotechnologie ist es, immer kleinere, integrierte Schaltkreise und magnetische Speicherelemente für Computer zu entwickeln, um deren Leistungsfähigkeit zu erhöhen.

Die Wissenschaftler brachten einen dünnen Film aus Polystyrol auf eine Elektrode auf. Eine zweite Elektrode befand sich in einem gewisssen Abstand oberhalb des Filmes. Der Kunststoff wurde geheizt und verflüssigt und anschliessend zwischen den Elektroden eine kleine Spannung angelegt. In einem Mikroskop beobachteten die Wissenschaftler wie sich auf der Polystyrol-Oberfläche eine pockennarbige Struktur bildete.

Russell erklärt dieses Phänomen damit, dass das elektrische Feld zwischen den Elektroden die Wellen auf der flüssigen Oberfläche verstärkt. Man hat es hierbei seiner Meinung nach mit vier konkurrierenden Kräften zu tun: erstens die elektrische Kraft, die die Flüssigkeit in Richtung der oberen Elektrode schiebt; zweitens die Oberflächenenergie, die dafür sorgt, dass die Oberfläche flach bleibt; drittens die Viskosität der Flüssigkeit und schliesslich der atmosphärische Druck. „Es passiert nicht Hals über Kopf“, so Russell, „es passiert bei bestimmten Abständen, bei denen ein Gleichgewicht zwischen diesen Kräften herrscht.“

Vielleicht noch wichtiger ist, dass das Team in der Lage ist, dem Polystyrol-Film eine bestimmte Struktur einzuprägen. Hierbei wird in die obere Elektrode eine Struktur geätzt: die Elektrode besitzt dann ein Profil mit Tälern und Hügeln. Wird eine Spannung zwischen dieser und der mit dem Kunststoff-Film belegten Elektrode angelegt, so reagiert der Film auf das elektrische Feld an den Stellen besonders stark, an denen der Abstand zur oberen Elektrode klein ist. Als Folge dessen wird im Kunststoff-Film eine Kopie des Elektroden-Profiles erzeugt.
[Quelle: Katja Bammel und Nature 403, 874 - 877 (2000)]

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Schritt zum chemischen "Flüssig-Computer"

25.2.2000

Ein "Rechner im Reagenzglas" mit Schaltkreisen aus Molekülen, die in Lösung frei umhertreiben - diesem noch weit entfernten Ziel sind italienische Chemiker einen Schritt näher gekommen: Sie funktionierten ein einzelnes Molekül zum winzigen "Lichtschalter" um. Mit dem pH-Wert der umfließenden Flüssigkeit lässt sich steuern, ob er ein fluoreszierendes Licht abgibt oder nicht, so der Bericht im Fachblatt Royal Society of Chemistry's Dalton Transactions.
"Schaltmechanismen wie diese könnten in Computern mit logischen Gattern von Molekülgröße genutzt werden", so Luigi Fabbrizzi, Leiter des Teams der Universita di Pavia. Das Molekül kann zwei stabile Zustände annehmen, die sich in der Computertechnik als "0" und "1" wiedergeben lassen, das Grundgerüst moderner Schalttechnik und des binären Rechnens überhaupt. Anders als andere bistabile Moleküle funktioniert das italienische nicht über die Abgabe oder den Zugewinn von Elektronen -- es verändert lediglich die Position eines Nickelatoms innerhalb seiner Struktur.

In seinem chemischen Gerüst finden sich zwei "Kammern", die das Nickel-Atom beherbergen können. An einen dieser Orte ist eine Anthrazen-Gruppe gebunden, die unter ultraviolettem Licht blau leuchtet: ein locker gebundenes Elektron nimmt die Lichtenergie auf und gibt sie seinerseits als Fluoreszenz wieder ab. Bei einem basischen pH-Wert von 9,5 verhindert das Nickel-Atom dieses Leuchten, weil es das angeregte Elektron "einfängt". Wechselt der pH-Wert zu einem beinah neutralen 7,5, so wechselt das Nickel-Atom seinen Standort in die weiter entfernte zweite "Molekül-Kammer" und kann das Leuchten der Anthrazen-Gruppe nicht mehr blockieren.
Dieses Umschalten ist laut Fabbrizzi beliebig wiederholbar, allerdings kann es noch eine Weile dauern, bis auf seiner Basis einfache logische Gatter sinnvoll einsetzbar sein werden. Eine der Hürden auf dem Weg zum Erfolg: Noch dauert das Schalten einfach zu lange: "Das Ausschalten der Fluoreszenz braucht rund zwölf Sekunden, und das Wiedereinschalten dauert über eine Minute", so Fabbrizzi. "Doch wir arbeiten daran."
[Quelle: Dörte Saße und Royal Society of Chemistry's Dalton Transactions (p 185)]

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Optische Transistoren: Neuer Ansatz für eine Revolution der Computertechnik

17.2.2000

Der Grundbaustein elektronischer Schaltkreise, der Halbleiter-Transistor, soll als optische Version hundertfach schneller sein und die Computer- und Kommunikationstechnik revolutionieren. Nach rund 20 Jahren Forschung rund um den Globus wollen US-Forscher des staatlichen Oak Ridge National Laboratory (ORNL) jetzt einen Ansatz gefunden haben, der kleine, effiziente, kostengünstige optische Transistoren auch in der Praxis möglich macht.

"Unsere Entdeckung könnte gewaltige Auswirkungen auf die Entwicklung der Technologie optischer Schalter haben und in der Telekommunikation, Sensorik und Computertechnik Anwendung finden", so Panos Datskos von der ORNL Engineering Technology Division. Die immer schneller werdende Mikroelektronik macht auch schnellere Umschaltprozesse notwendig. Bei optischen Transistoren übertragen statt der Elektronen schnellere Photonen die Signale und machen eine Schaltgeschwindigkeit nahe an der Lichtgeschwindigkeit möglich.

Bisher scheiterten Entwicklungsversuche auf diesem Gebiet immer an einem von vier Grunderfordernissen: Schalteffizienz, Geschwindigkeit, niedrige Kosten oder möglichst kleine Größe. Der neue Ansatz von Datskos und Kollege Slo Rajic beruht auf ihrem letzen Erfolg, der Entwicklung eines ungekühlten, mikro-mechanischen Quanten-Infrarot-Detektors. Für ihren optischen Transistor verwenden sie eine Laser-Leuchtdiode, deren Licht in einem Lichtleiter optisch absorbiert wird. Ist die Belastung durch das Absorbieren groß genug, kann sich das Material um ein winziges Stück verformen. Dadurch lässt sich ein Schalter an- oder ausschalten, oder Licht in andere Richtungen umleiten -- wie ein Schalter oder Modulator in herkömmlichen Transistoren.

Die Forscher konnten diesen Effekt bereits bei Lichtwellen im Frequenzbereich eines Megahertz' beobachten. Dies ist bedeutend, so Datskos, denn thermisch lassen sich nur Schaltfrequenzen von rund 1000 Hertz erreichen. Zwar steht bis zur Serienreife noch viel Arbeit ins Haus, doch das Team ist von seinen ersten Ergebnissen ermutigt und erwartet von seinem optischen Transistor die Revolution der Computertechnik, ebenso wie Glasfaser die Telekommunikation revolutioniert habe. Per Massenproduktion mit modernen Fabrikationsmethoden könne man eines Tages mit Preisen deutlich unter 100 US-Dollar rechnen, im Vergleich zu weniger leistungsfähigen Geräten zu 200-fachem Preis.
[Quelle: Dörte Saße und EurekAlert, ORNL]

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Ein nicht-invasiver Blick ins Gehirn

17.2.2000

In der Gehirnforschung sind Wissenschaftler ganz besonders daran interessiert, Aufnahmen von Nervenzellen in Aktion zu bekommen. Ein Problem dabei ist, daß dafür zum Beispiel radioaktive Substanzen injiziert werden müssen, um Veränderungen sichtbar zu machen. Nun konnten Wissenschaftler die funktionelle Magnetresonanztomographie so weiterentwickeln, daß sie mit dieser nicht-invasiven Methode detaillierte Einblicke in Vorgänge der sinnlichen Wahrnehmung und höherer kognitiver Funktionen erhalten können.

(aus dem Newsletter der Spektrum der Wissenschaft)

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Erste Erfolge mit Netzhaut-Mikrochip

15.2.2000

Wissenschaftlern der Klinik für Augenheilkunde der Universität Münster ist es nach eigenen Angaben zum ersten Mal gelungen, ein Retina-Implantat auf der Netzhaut so zu verankern, dass es mit dem natürlichen Gewebe verträglich war. Dabei seien die sehr empfindlichen Strukturen der Netzhaut erhalten geblieben.

Die Forscher haben bei dem neuen Verfahren auf biologische Klebemittel zurückgegriffen. Außerdem nutzten sie mikromechanische Elemente, um das Implantat zu fixieren. Dank des neuen Verfahrens könnten die Mikrochips dauerhaft mit der Netzhaut verbunden werden. Einzelne Elemente des Implantatsystems seien mit Erfolg getestet worden. Die eingepflanzten Mikrochips sollen in einigen Jahren Blinden wenigstens einen Teil ihrer Sehkraft zurückgeben. Die Menschen könnten Schemen erkennen und sich orientieren. Der Netzhaut-Mikrochip ersetzt die lichtempfindlichen Sehzellen. Deshalb kommt eine Behandlung nur für Patienten in Frage, die durch eine Erkrankung ihrer Netzhaut erblindet sind oder deren Netzhaut sich altersbedingt verändert hat.

Weitere Informationen zum Thema Retina-Implantat finden Sie hier.
[Quelle: Eva Manhardt und dradio]

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Nanotechnik - die Revolution des 21. Jahrhundert

3.2.2000

Eine Gemeinschaft unterschiedlicher Forschungseinrichtungen der USA wird in den kommenden Jahren mehr denn je in einen Bereich investieren, aus dem die Technologie des 21. Jahrhunderts hervorgehen könnte – die Nanotechnologie. Die "National Nanotechnology Initiative" wird die öffentlichen Mittel ab 2001 um 84 Prozent auf einen Etat von 497 Millionen Dollar erhöhen, so gab Präsident Bill Clinton am 21. Januar in einer Rede vor dem "California Institute of Technology" bekannt.

Bei der Nanotechnik geht es um die gezielte Handhabung einzelner Atome oder Moleküle, um Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen. Während ein menschliches Haar ungefähr 10.000 Nanometer dick ist, befasst sich die Nanotechnik mit Größenordnungen zwischen einem und 100 Nanometern. Wissenschaftler glauben, dass die Fähigkeit, einzelne Atome verschieben und kombinieren zu können, mindestens so bedeutend sei, wie die durch Silicium-Verbindungen ausgelöste Computerchip-Revolution des 20. Jahrhunderts. " Die Möglichkeiten neue Materialien mit außerordentlichen Eigenschaften mit Hilfe der Nanotechnology zu produzieren werden nur durch mangelnde Vorstellungskraft begrenzt", sagt Tom Picraux, Direktor des Sandia Physical and Chemical Sciences Centers.

So könnten beispielsweise Solarzellen, die sogenannte Nanostrukturen enthalten, das Tageslicht erheblich effektiver in elektrische Energie umwandeln. Computer-Chips wären in der Lage, das Tausendfache an Daten aufnehmen, wenn sie sich den Drehimpuls (Spin) von Elektronen zunutze machen könnten. Molekulare Einheiten, die Prozesse lebender Zellen imitieren, könnten dazu dienen, Krankheiten zu finden und zu behandeln.

Sandia verwendet bereits heute spezielle Ionen-Implantationstechniken, um besonders leichte und widerstandsfähige Aluminiumverbindungen zu erzeugen. "Auch wenn die Nanotechnik vielversprechende Entwicklungen ermöglicht, fehlt den Wissenschaftlern noch das nötige Verständnis für das genaue Verhalten von Atomen und Molekülen, bis es ihnen gelingt, daraus neue Materialien zu erstellen", sagt Picraux. Um dies zu ermöglichen, hat Sandia die Entwicklung neuer Hochleistungsmikroskope und anderer Diagnostik-Werkzeuge ins Leben gerufen. Mit der Bereitschaft für multidisziplinäre Forschung sind die gewünschten Ziele auf dem Gebiet der Nanotechnik eines Tages zu verwirklichen.
[Quelle: Thomas Niemann und DailyScience]

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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"Augmented Reality" - Realität mit Zusatznutzen

Februar 2000

Ob in der Werbung, im Computerspiel oder in der Konstruktion neuer Automobilmodelle - Virtualität ist "trendy". Nun gehen Informatiker daran, die vom Computer simulierte mit der wirklichen Welt zu verschmelzen; zu den Pionieren in Deutschland gehören Wissenschaftler des Darmstädter Fraunhofer-Institus für Graphische Datenverarbeitung. Der Fachterminus "augmented reality" (AR), zu deutsch "verstärkte Wirklichkeit", ist Programm: Der Nutzer behält seine Umgebung im Blick und erhält vom Computer zusätzliche Informationen über das Gesehene. Die Anwendungspalette berührt unterschiedlichste Bereiche. So wäre ein Reiseführer denkbar, der merkt, daß sein Benutzer das Heidelberger Schloß ansieht, und ihm Daten zur Geschichte einspielt. Einem Elekrotechniker auf der Suche nach einer Störungsquelle zeigt ein AR-System den Verlauf der Leitungen in der Wand, so wie dieser in der Datenbank hinterlegt ist. Dazu muß unter anderem ein leistungsfähiger, am Gürtel tragbarer Rechner aus dem Bild einer Mini-Videokamera erkennen, wohin der Nutzer gerade blickt. Transparente Displays, die den Blick auf die Umgebung nicht versperren, sind in der Entwicklung. Einen ungewöhnlichen Ansatz verfolgt dabei das amerikanische Unternehmen Microvision in Bothell (Washington): Ihr "virtual retinal display" projiziert Licht durch die Pupille direkt auf die Netzhaut. Die Lichtquelle rastert die Retina ab, farbige Bildpunkte entstehen durch Überlagern von von roten, grünen und blauen Lichtstrahlen.

(aus Heft 2.2000 der Spektrum der Wissenschaft)

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Wann kommt der Quantencomputer?

25.1.2000

Philip H. Bucksbaum von der University of Michigan in Ann Arbor sieht die Sache nüchtern: "Unsere Arbeit ist entweder ein Schritt in Richtung eines funktionierenden Quantencomputers oder eine Sackgasse". Tatsächlich könnten die Ergebnisse von Bucksbaum und seinen Kollegen die Computerwelt revolutionieren. Sollte das Projekt der Wissenschaftler nämlich weiterhin erfolgreich sein, könnten Bits und Bytes bald der Vergangenheit angehören. Dann werden Daten vielleicht nicht mehr elektromagnetisch gespeichert, sondern in Form von "Quantenzuständen".

Dabei ist die Idee vergleichsweise alt, sie wurde bereits 1997 von L.K Grover publiziert. Jetzt ist es Bucksbaum und seinen Studenten aber erstmalig gelungen, Grovers Ideen experimentell zu bestätigen. Dazu muss man wissen, dass die Elektronen eine Wellennatur haben und innerhalb einer Atomstruktur in unendlicher Zahl überall gleichzeitig sein können. Die Forscher aus Ann Arbor haben in ihrem Experiment nun mit Hilfe eines starken aber extrem kurzen Laserpulses eine Information auf ein einzelnes Cäsiumatom aufgebracht, indem sie die Quantenwelle eines ganzen bestimmten Quantenzustandes ein wenig aus der Bahn warfen. Einen Sekundenbruchteil, oder um genau zu sein: den Milliardstel Teil einer Sekunde später wurde das Atom von einem weiteren Laserpuls getroffen, der nun jene Information des zuvor veränderten Quantenzustandes wieder verstärkte.

Ein derartiger Quantenspeicher hat gegenüber dem binären System einen großen Vorteil: Informationen können mit viel größerer Geschwindigkeit gleichzeitig an verschiedenen Orten gespeichert und wieder abgerufen werden.

Weitere Informationen erhalten Sie hier.
[Quelle: Joachim Schüring und The University of Michigan]

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Adenin plus Guanin gleich Cytosin?

24.1.2000

Gewöhnliche Computer bestehen aus Chips, Festplatten, Monitor usw. - eben was es so im Laden zu kaufen gibt. Der Rechner der Zukunft könnte dagegen im Reagenzglas schwimmen. Komplexe Aufgaben, für die Milliarden Rechenwege getestet werden müssen, lassen sich schneller mit DNA-Computern berechnen, die alle möglichen Lösungen parallel überprüfen. Im kleinen Maßstab hat das schon im Labor funktioniert.

(aus dem Newsletter der Spektrum der Wissenschaft)

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Ein künstlicher Blick in die Welt

20.1.2000

Wenn man Menschen fragt, vor welchem Leiden sie sich am meisten fürchten, dann folgt hinter Krebs und AIDS gleich auf dem dritten Platz die Angst zu erblinden. Kein Wunder also, daß Mediziner und Techniker intensiv an der Entwicklung von Geräten arbeiten, mit deren Hilfe Blinde zumindest einen Teilzugang zu den optischen Informationen der Welt erlangen. Wissenschaftler eines amerikanischen Instituts berichten nun von der ersten visuellen Prothese, die ihrem Träger ein sinnvolles 'künstliches Sehen' ermöglicht. Eine kleine Kamera nimmt Bilder der Umgebung auf, die von einem Computer aufbereitet und über ein Kabel direkt an Elektroden im Gehirn weitergeleitet werden. Die Versuchsperson kann sich damit relativ sicher in fremden Umgebungen bewegen und große Buchstaben erkennen.

(aus dem Newsletter der Spektrum der Wissenschaft)

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Das Dobelle-Auge: die Cyberbrille für Blinde

18.1.2000

Ein Computer, eine Kamera etliche Platinelektroden und ein Brillengestell können Blinden wieder Hoffnung geben, sich visuell orientieren zu können. William Dobelle vom Dobelle Institut und dem Columbia-Presbyterian Medical Center in New York stellte sein "Dobelle-Auge" letzte Woche in einem Interview mit Reuters Television vor.

Die, von der Kamera aufgezeichneten Bilder werden von einem Computer umgewandelt und die Signale schließlich an die 68 Elektroden an der Gehirnoberfläche des Patienten weitergeleitet. Dort erzeugen sie Lichtpunkte, sogenannte Phosphene. Je größer deren Anzahl, umso besser ist letztendlich die Auflösung des erzeugten Bildes. Dobelle demonstrierte seine Entwicklung an Jerry, einem 62jährigen Mann, der bereits mit 36 Jahren sein Augenlicht verloren hatte. Wirklich sehen könne er zwar noch nicht, dennoch sei er in der Lage, Umrisse von Gegenständen und sogar große Zahlen und Buchstaben zu erkennen. Außerdem mache es ihm das Dobelle-Auge möglich, über einen direkten digitalen Eingang einen Computer zu bedienen.

Jerry trägt die implantierten Elektroden bereits seit 1978 in seinem Kopf. Doch erst im vergangenen Jahr war ein entsprechender tragbarer Computer erhältlich, der einen ständigen Gebrauch des Dobelle-Auges ermöglichte. Der Rechner, der ursprünglich zum Einsatz kam, machte mit einem Gewicht von 800 Kilogramm und einer 500 mal geringeren Leistung, den mobilen Einsatz dieser elektronischen Sehhilfe unmöglich.

Dennoch scheint dieser Sehcomputer nicht in jedem Fall zu helfen. Für einen 65jährigen Patienten, der im Alter von fünf Jahren sein Augenlicht verlor, blieb die Welt auch mit dem neuen System im Dunkel. Dobelle vermutet, dass möglicherweise sein Gehirn inzwischen vergessen habe, wie es seinen visuellen Cortex einzusetzen habe. Außerdem stehe noch nicht fest, ob das Dobelle-Auge auch blind geborenen Menschen helfen könne.
[Quelle: Thomas Niemann und Yahoo]

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Quantenpunkte in Reih und Glied

17.1.2000

Die Speicherbausteine in den Computern der Zukunft könnten einmal aus etlichen Millionen nur eineinhalb milliardstel Meter großer Goldkügelchen bestehen, die auf einer speziell beschichteten Oberfläche wie Eier in einem Eierkarton aufgereiht sind. Chemiker fanden eine Möglichkeit, Goldkügelchen als winzige Ein-Elektronen-Speicher in einer für den Bau von Computern so wichtigen, regelmäßigen geordneten Weise aufzureihen.

(aus dem Newsletter der Spektrum der Wissenschaft)

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Fällt die Hirn-Computer-Schranke?

17.1.2000

Bisher ist es nicht erfolgreich gelungen, analoge Hirninformation digital arbeitenden Computern zugänglich zu machen. Genau das ist aber nötig, um 'intelligente' Prothesen zu entwickeln und so gelähmten Menschen zu helfen. Nun ist gelungen, im Gehirn von Affen einen Bereich zu ermitteln, wo es motorische Kommandos an die Muskeln weiterleitet. Durch Meßfühler kann ein Computer diese motorische Befehle digital umsetzen und lesen, noch bevor das Tier die Bewegungen ausführt.

(aus dem Newsletter der Spektrum der Wissenschaft)

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