Ferngesteuertes Labor
im Internet
Virtueller Physikunterricht von zuhause
Im Rahmen des Projekts "Remote Controlled
Laboratory"
http://www.remote-lab.de sollen reale Versuchsaufbauten aus
Naturwissenschaft und Technik virtuell über das Internet bedient
werden. Lehrkräfte und Schulen können das "Remote Lab" gezielt im
Unterricht einsetzen, online trainieren und gemeinsam lernen.
Initiiert wurde das Projekt von der Universität Kaiserslautern, der
Eberhard-von-Kuenheim-Stiftung, dem Deutschen Museum und dem
kalifornischen Chipriesen Intel
http://www.intel.com .
Dem Nutzer steht im Remote Lab eine Steueroberfläche zur Verfügung,
mit der er die Versuchsparameter verändern, Messwerte ablesen oder
direkt in das Experiment eingreifen kann. Eine Kamera überträgt in
Echtzeit den Versuchsablauf und ermöglicht eine genaue Beobachtung.
Zu jedem Versuch werden weiterführende Informationen zu Technik und
theoretischem Hintergrund angeboten. Dabei kann laut Intel jeder
Anwender selbst bestimmen, wie tief er in die Welt der Wissenschaft
eintauchen möchte. Weiters soll das Lab nicht nur auf Deutschland
beschränkt bleiben. Vielmehr sollen an Schulen und Instituten auch
über die Landesgrenzen hinweg ergänzende Versuche aufgebaut und über
das Internet vernetzt werden.
"Bequem von zuhause aus kann man hier Forschung betreiben und sich
spielerisch der Physik nähern", kommentiert Hans-Jörg Jodl,
Initiator des Projekts. "Dies weckt Begeisterung für Technik und
macht Physik auch für den interessierten Laien verständlich", so
Jodl. "Das 'Remote Lab' ist ein spannender neuer Baustein, der unser
Programm 'Lehren für die Zukunft' optimal ergänzt und ganz neue
Möglichkeiten im Physikunterricht eröffnet", erläutert Martina Roth,
Director of Educaton EMEA bei Intel.
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Weltjahr der Physik 2005: Österreich
1 startet "projekt: EINSTEIN"
Anfang Februar startet "projekt: EINSTEIN", ein bis Dezember
angelegter Programmschwerpunkt der Ö1-Wissenschaftsredaktion im Rahmen des
Einstein-Jahres 2005. Zahlreiche Sendungen und eine Veranstaltung im
RadioKulturhaus stehen ganz im Zeichen des großen Physikers.
Im Jahr 1905 - dem "Wunderjahr der Physik" - formulierte Albert Einstein
seine epochalen Theorien, mit denen er eine "Revolution" in der klassischen
Physik auslöste. Hundert Jahre später und fünfzig Jahre nach seinem Tod wird
mit dem "Weltjahr der Physik 2005" an jene bahnbrechenden Erkenntnisse
erinnert, mit denen er die Begriffe von Raum und Zeit neu definiert und die
Vorstellungen von Natur und Kosmos, Energie und Materie grundlegend
verändert hatte. Einstein wurde bereits in den 1920er Jahren zum
"Medienstar". Seine im "annus mirabilis" präsentierten Arbeiten -
Relativitätstheorie, Quantentheorie und die Theorie der Brownschen Bewegung
- sind bis heute zentrale Anknüpfungspunkte in der modernen Physik. Der
Ö1-Programmschwerpunkt "projekt: EINSTEIN" widmet sich der faszinierenden
Person Albert Einstein, seinen großen Theorien, seinem philosophischen
Weltbild und seinem wissenschaftlichen Erbe.
Sechs Einstein-"Dimensionen"
"Einsteins Erbe oder Das marmorne Lächeln der unerbittlichen Natur"
lautet der Übertitel der sechs Spezialausgaben der "Dimensionen" (jeweils um
19.05 Uhr), in denen bis Dezember die fundamentalen Fragestellungen, die
Einsteins Erkenntnisse nicht nur für die Welt der Physik haben, aufgezeigt
werden sollen. "Gott würfelt nicht" (1. Februar) thematisiert Albert
Einsteins ambivalentes Verhältnis zur Quantentheorie, die zu großen
technischen Errungenschaften aber auch in erkenntnisphilosophische Probleme
führte. "Warum beglückt uns die Arbeit ersparende Technik so wenig?" lautet
die Frage am 5. April. Mit seinem abstrakten Denken über Raum und Zeit war
Einstein ein Grundlagenforscher in Reinkultur, er schuf damit aber auch die
Basis für wichtige Technologien wie z. B. das Satellitennavigationssystem
GPS. "Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist Er nicht" (7. Juni)
behandelt die Rätsel der Raumzeit. Die Struktur und Entwicklung des
Weltalls, aber auch die weißen Flecken auf der kosmischen Landkarte des
Universums können im Rahmen der Relativitätstheorie beschrieben werden. Am
2. August lautet der Titel der "Dimensionen" "Neugier ist ein verletzliches
Pflänzchen". Einstein, der die wahren Theoretiker einmal "gezähmte
Metaphysiker" nannte, beschäftigte sich Zeit seines Lebens mit den
erkenntnistheoretischen Voraussetzungen des naturwissenschaftlichen Denkens.
Welches Erbe hinterließ das Ulmer Genie als Philosoph der Physik?
Einstein und die Gravitationswellenphysik ist das Thema am 4. Oktober:
"Ich habe schon wieder was verbrochen in der Gravitationstheorie". Im Rahmen
der Relativitätstheorie postulierte Einstein die Existenz von
Gravitationswellen, Dehnungen und Stauchungen der Schwerkraft, von deren
Messung sich die moderne Physik neue Erkenntnisse über das Universum
erhofft. Den Abschluss macht am 6. Dezember die Sendung "Nur wer nicht
sucht, ist vor Irrtum sicher". Der Gral der Quantengravitation - Einstein
und die Vereinheitlichte Theorie der Physik: Die Vereinigung der
Quantentheorie mit der Relativitätstheorie zu einer "Theory of Everything",
die Einstein in seinem Alterswerk in gewisser Weise visionär aber letztlich
erfolglos andachte, gilt als das fundamentale Problem der Physik im 21.
Jahrhundert.
"Eine Stunde mit einem hübschen Mädchen vergeht wie eine Minute ..."
Unter dem Titel "Relativ absolut" ist im "Radiokolleg" von 7. bis 10.
Februar jeweils um 9.05 Uhr ein Porträt des berühmtesten Wissenschafters der
Weltgeschichte zu hören. Mittelmäßiger Schüler, kleiner Angestellter im
Berner Patentamt, Begründer der Relativitätstheorie, Professor mit
herausgestreckter Zunge, Popikone der Wissenschaft, Nobelpreisträger,
Geigenspieler, Hobbysegler, zweimaliger Ehemann und (mindestens) dreimaliger
Vater, Eigenbrötler, vertriebener Jude, Gegner des NS-Regimes, Bürger von
vier Staaten, moralische Autorität, Befürworter einer internationalen
Weltregierung, Kosmopolit, die Asche an unbekanntem Ort verstreut … Die
vielen Facetten des Albert Einstein, eine vierteilige Biographie zwischen
Mythos und Realität.
Von 14. bis 17. März (jeweils um 9.05 Uhr) widmet sich das "Radiokolleg"
Albert Einsteins Relativitätstheorie. Der Titel der vierteiligen Reihe:
"Absolut relativ". Mit der Relativitätstheorie erschütterte Albert Einstein
das Fundament der klassischen Physik. Sie führte zu einem vollständig neuen
Verständnis von Raum, Zeit, Energie und Materie und beinhaltet die
berühmteste Formel der Welt: E = mc2 - Masse und Energie sind äquivalent.
Eine populäre Darstellung des Prinzips der Relativität, wie sie Einstein
gelegentlich selbst gab: "Eine Stunde mit einem hübschen Mädchen vergeht wie
eine Minute, aber eine Minute auf einem heißen Ofen scheint eine Stunde zu
dauern."
"Wissen Aktuell" bringt von 18. - 22. April jeweils um 13.55 Uhr zum
Thema "1905 - Einsteins ‚Wunderjahr'" fünf Kurzbeiträge über fünf
Erkenntnisse mit Langzeitfolgen.
Im Mittelpunkt des "Salzburger Nachtstudios" am 20. April (21.01 Uhr)
steht "Einstein - der Medien-Star". Alles ist relativ. So auch das Bild
Albert Einsteins. Wie kein anderer Wissenschafter seiner Zeit hat er sich im
Rampenlicht der Öffentlichkeit exponiert. Als Genie, Clown, Heiliger,
Ketzer, weiser Alter, Zauberer und Philosoph. Am Ende des 20. Jahrhunderts
hat ihn die amerikanische Zeitschrift "TIME Magazine" zur "Person of the
Century" ernannt.
Ein "Einstein Science Event" findet am 15. März im RadioKulturhaus statt
(Beginn 19.30 Uhr, Eintritt frei). "Leidenschaftlich neugierig" ist der
Titel des multimedialen Abends mit internationalen Stargästen, bei dem
Albert Einsteins Suche nach dem Geheimnis hinter den Dingen thematisiert
wird.
Physiker sagen
Ausbreitung globaler Epidemien voraus
Dynamisches Simulationsmodell auf der Basis von
Flugpassagierströmen
Forscher der Universität Göttingen haben ein
dynamisches Modell zur Vorhersage der Ausbreitung von infektiösen
Krankheiten über den Erdball erstellt: Mithilfe von
Flugpassagierströmungen lassen sich damit die Verbreitungen von
ansteckenden Erkrankungen vorhersagen, berichten die Forscher im
Wissenschaftsmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences
PNAS
http://www.pnas.org .
Das Modell kombiniert die lokale Infektionsdynamik einer Erkrankung
mit der räumlichen Ausbreitung in einem Netzwerk, das 95 Prozent des
zivilen Luftverkehrs auf der ganzen Welt erfasst. Damit konnten die
Physiker zeigen, dass sich die geographische Verbreitung einer
Krankheit wie SARS durch die Simulation der Passagierströme im
Flugverkehr vorhersagen lässt. "Die Computersimulationen können
darüber hinaus im Voraus Aussagen über den potenziellen Erfolg von
Impf- und Kontrollstrategien liefern", so Studienleiter Theo Geisel,
Physiker am Institut für Nichtlineare Dynamik
http://www.chaos.gwdg.de und Direktor am Max-Planck-Institut für
Strömungsforschung.
Die globale Ausbreitung von SARS habe gezeigt, wie stark unsere
heutige Welt durch neuartige infektiöse Krankheiten bedroht sei, so
Geisel. "Eine zentrale Rolle bei der Entwicklung moderner Epidemien
spielen die weltweite Vernetzung und die große Mobilität der
Gesellschaft. So können sich hoch virulente Krankheitserreger rasend
schnell über alle besiedelten Gebiete der Erde ausbreiten", erklärt
der Forscher. Die mathematischen Modelle beschreiben die Entwicklung
von Epidemien als Diffusionsprozesse. Sie sind vergleichbar mit
denen von Molekülen, die sich in einer Flüssigkeit ausbreiten, und
sagen voraus, dass sich infektiöse Erkrankungen in Form von
Wellenfronten mit konstanter Geschwindigkeit geographisch ausdehnen.
Das plötzliche weltweite Auftreten einer Erkrankung wie im Fall von
SARS konnte mit herkömmlichen Standardmodellen jedoch nicht erklärt
werden.
Im neuen Göttinger Simulationsmodell "bewegen" sich erkrankte
Individuen zwischen den verschiedenen Knotenpunkten des globalen
Flugnetzes und infizieren dort andere Personen. Die Wissenschaftler
haben in dem Modell mehr als zwei Mio. Flüge pro Woche zwischen den
500 größten Flughäfen der Welt berücksichtigt. Die Verbreitungs- und
Ansteckungsdynamik wird mit einem Satz stochastischer
Differentialgleichungen beschrieben. Parameter des Modells sind
krankheitsspezifische Größen, wie zum Beispiel die Zahl der
Sekundärinfektionen, die ein Mensch durchschnittlich auslöst, sowie
Heilungs- oder Mortalitätsraten. Auf diese Weise konnten die
Wissenschaftler nachweisen, dass große Knoten in diesem
Luftverkehrsnetz für eine rapide weltweite Ausbreitung einer
Epidemie verantwortlich sind, und zwar weitgehend unabhängig vom Ort
des ersten Auftretens eines Krankheitserregers.
"Dabei ist die Kapazität eines Flughafens viel weniger entscheidend
als sein Vernetzungsgrad", erklärt Geisel, der mit seinen Kollegen
herausfand, dass der Versuch, eine Epidemie durch Isolation der
zentralen Knoten einzudämmen, viel versprechend sei. Eine Blockade
der stärksten Verbindungslinien hat aber praktisch kaum einen
Effekt.
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Öffnung der Vierten
Dimension
Forscher definiert Physik der Photonen neu
Der Schlüssel zum Verständnis der Dritten
Dimension liegt nach Meinung des deutschen Physikers Giselher
Grosskopf in der Vierten Dimension. Unter Einbeziehung dieser
Vierten Dimension wird es möglich die wesentlichen Zusammenhänge des
Universums zu verstehen. Ein Schlüsselpunkt ist für den Forscher
dabei zum Angelpunkt seiner Theorie geworden: Er hat die Photonen
genauer unter die Lupe genommen.
"Vor acht Jahren hörte ich einen Vortrag eines Atomwissenschaftlers
über Photonen im Zusammenhang mit Einsteins Theorien. Der
Wissenschaftler erklärte das Licht als Welle, das bei der geringsten
störenden Beeinflussung jedoch als Partikel auftritt", so Grosskopf.
Der Forscher fasste seine Aussage mit den Worten "Man könne sagen,
wenn man ein Photon nur ansieht, reagiert es nicht mehr als Welle,
sondern als Partikel" zusammen. Für Grosskopf ergab sich daraus ein
unzulässiger Schluss: "Wenn Naturwissenschaftler zu Mystikern
werden, ist Vorsicht geboten. " Es dränge sich der Verdacht auf,
dass auch die Wissenschaftler keine Erklärungen dafür haben. "Die
weitere Aussage, dass bisher kein Mensch ein Photon gesehen hat,
veranlasste mich, alle diesbezüglichen Forschungsergebnisse zu
sammeln, zu studieren und nach der Analyse unvoreingenommene
Schlüsse zu ziehen", erklärt der Physiker.
Die nun vorgestellte Theorie über die Physik von Photonen führt
direkt zu Erklärungen des unendlichen endlichen Universums, des Big
Bang (einschließlich der Inflation des Universums), des Endes des
Universums als Gravitations-Kollaps, von Photon Tunneling, von Dark
Matter, von Black Holes und dem Grund warum Licht strahlt, so
Grosskopf, der davon ausgeht, dass Photons in der Richtungsebene des
Lichts pulsieren. "Wenn es daran gehindert wird, leuchtet es nicht
mehr", meint der Experte. "Die Einbeziehung der vierten Dimension
dient damit zur Erklärung der Physik der dritten Dimension", erklärt
Grosskopf.
Damit führt Grosskopf zahlreiche gängige Modelle ad absurdum. Dazu
zählt etwa die Theorie der "Superstrings". Superstrings (Fäden) sind
so kleine Teilchen, dass sie nahezu als zweidimensionale Einheiten
existieren. Das heißt, ihre Dicke ist praktisch Null. Damit wollten
die Wissenschaftler die Ereignisse der Dritten Dimension erklären.
Grosskopf hält diese Theorie für falsch. Auch die Lösung des so
genannten "Großvater Paradoxon" - jemand reist in die Vergangenheit
und tötet seinen Großvater bevor er die Großmutter kennenlernte -
durch "Paralleluniversen" sei abzulehnen. Vielmehr sieht der
Physiker nicht die Existenz solcher paralleler Universen, sondern
einen Status als Reisender, der in die Geschichte nicht eingreifen
kann, weil er sozusagen nur über eine reduzierte Kraft verfügt.
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Hochleistungslaser für ultraviolettes Licht
Wellenlängen liegen zwischen 80 und 180 Nanometern
Wissenschaftlern am Forschungszentrum DESY (Deutsches Elektronen-Synchroton)
http://www.desy.de ist es
gelungen, die maximale Lichtverstärkung an einem Freie-Elektronen-Laser (FEL)
für ultraviolette Strahlung zu erreichen. Der Elektronenlaser erreicht eine
Lichtverstärkung von zehn Mio. - das entspricht der theoretisch erwarteten
Höchstleistung für eine solche Anlage. Gegenüber den stärksten bisherigen
Lichtquellen, die bei ultravioletter Strahlung für die Forschung zur Verfügung
stehen, hat der neue Laser eine tausendfach höhere Spitzenleuchtstärke.
Der Freie-Elektronen-Laser bei DESY erzeugt ultraviolettes Laserlicht mit
Wellenlängen zwischen 80 und 180 Nanometern (Millionstel Millimetern). Die
maximale Lichtverstärkung gelang bei einer Wellenlänge von 98 Nanometern. Auf
dem Weg zur Entwicklung eines Röntgenlasers ist diese Lichtquelle für die
Forscher ein wichtiger Schritt. Die Wissenschaftler am Forschungszentrum DESY
in Hamburg entwickeln und planen derzeit einen Röntgenlaser.
Das intensive Laserlicht erzeugten die Forscher nach einem neuartigen
Prinzip: Sie brachten Elektronen in einem supraleitenden Teilchenbeschleuniger
auf hohe Energien. Anschließend flogen die Elektronen im Slalomkurs durch eine
besondere Magnetanordnung und sendeten dabei laserartig gebündelte Strahlung
aus. Der Verstärkertrick bestand darin, dass sich die Elektronen und die
Strahlungsblitze auf ihrem Weg durch die 15 Meter lange Magnetstruktur
gegenseitig beeinflussten - und zwar so, dass die zu winzigen Päckchen
gebündelten Elektronen immer dichter zusammengedrängt wurden und immer
intensiver strahlten.
Der sich selbst verstärkende Effekt wiederholt sich so oft, bis sämtliche
Elektronen im Gleichtakt schwingen. Das von ihnen ausgesandte Licht überlagert
sich zu intensiven Laserblitzen. Dieses Prinzip nennt sich SASE (Self-Amplified
Spontaneous Emission). Das Besondere daran ist, dass es im Gegensatz zu
herkömmlichen Lasern nicht auf bestimmte Wellenlängen beschränkt ist. Die
Beschleunigung der Elektronen muss nur entsprechend der gewünschten
Wellenlänge eingestellt werden.
An dem Freie-Elektronen-Laser bei DESY hat sich nun erstmals gezeigt, dass
dieser selbstverstärkende Effekt auch tatsächlich zu der theoretisch
berechneten millionenfachen Lichtverstärkung im Ultravioletten führt. Dass
dieses Prinzip für sichtbares Licht mit ähnlich hohen Verstärkungsfaktoren
funktioniert, hatten Institute in den USA bereits im vergangenen Jahr gezeigt.
Bei DESY haben die ersten Wissenschaftlergruppen damit begonnen, die
Lichtquelle für ihre Forschung zu verwenden.
http://www.desy.de/pr-info/desyhome/html/presse/meldungen/PM_Saettigung_dt.htm
Antimaterie-Mikroskop sucht Defekte auf Silizium-Chips
Münchener Forscher nutzen Positronen statt Elektronen
Deutsche Forscher der Bundeswehr-Universität in München
http://www.unibw-muenchen.de/ nutzen Antimaterie, um die Empfindlichkeit
von hochauflösenden Mikroskopen zu erhöhen. Die feinen Strukturen von
Oberflächen werden dabei nicht mit Elektronen, sondern mit deren Antiteilchen,
den Positronen untersucht. Besonders kleine Fehlstellen in Silizium-Scheiben
ließen sich besser finden und analysieren, berichten die Forscher im Fachblatt
"Physical Review Letters"
http://prl.aps.org/.
"Positronen können Defekte im Verhältnis von eins zu einer Million
entdecken. Keine andere Methode ist so empfindlich", beschreibt Physiker
Werner Triftshäuser, der das Raster-Positronen-Mikroskop (SPM-Scanning
Positron-Microscope) mit Kollegen entwickelt hat. Der Grund für diese hohe
Empfindlichkeit liegt in der positiven – dem Elektron entgegengesetzten -
Ladung des Positrons. Fehlt in einer Oberfläche einer Silizium-Scheibe ein
positiv geladener Atomkern, werden die Positronen gerade zu diesem Punkt der
Fehlstelle angezogen. Da hier auch die Dichte der negativ geladenen Elektronen
geringer ist, überlebt das Positron eine längere Zeit, bevor es sich mit
seinem Elektron-Antiteilchen verbindet und sich beide in einem Lichtblitz
auslöschen. Diese Zeitmessung zwischen Start des Positrons und der so
genannten Annihilation erlaubt eine genaue Ortung der Defektstelle.
Das SPM könne laut Triftshäuser sogar die genaue Beschaffenheit des
Defektes offenbaren, da die exakte Überlebenszeit von der Art der Fehlstelle
abhänge. Keine andere Technik leiste dieses. "Diese Lebenszeit des Positrons
kann einem Informationen über Defekte in der Größenordnung eines Zehntel
Nanometers (Milliardstel Meter) geben", beurteilt Yanching Jean von der
University of Missouri
http://www.umkc.edu diese Arbeit seiner deutschen Kollegen. Elektronen
lieferten nur eine Empfindlichkeit von einem Mikrometer (Millionstel Meter).
Besonders für die Chip-Industrie könnte diese neue Technik von großer
Bedeutung sein. Denn je kleiner und dichter Computer-Chips auf Silizium-Basis
werden, desto besser müssten die Defekte auf der Oberfläche kontrolliert
werden.
Erster Ein-Elektron-Transistor entwickelt
Nanoschalter arbeitet auch bei Raumtemperatur
Physiker der Technischen Universität Delft http://www.tudelft.nl/
haben einen winzigen Transistor entwickelt, der einen Stromfluss nur über ein
Schaltelektron steuern kann. Auf der Basis von einzelnen Nanoröhrchen aus
Kohlenstoff, die hunderttausendfach feiner sind als ein menschliches Haar,
arbeitet dieser Ein-Elektron-Transistor (SET) erstmals effizient bei
Raumtemperatur, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift
"Science" http://www.sciencemag.org.
Mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) bogen die Wissenschaftler
scharfe Kurven in die Nanoröhre mit einem milliardstel Meter (Nanometer)
Durchmesser und 20 Nanometer Länge. "Wir entwickelten damit ein weiteres
wichtiges Stück für den Werkzeugkasten der molekularen Elektronik",
beurteilt Gruppenleiter Cees Dekker seine Ergebnisse. Diese Hürde können nur
einzelne Elektronen bei einer bestimmten angelegten Spannung überwinden. Gibt
hier nur ein Elektron das Signal für "Ein", kann eine exakte Anzahl
von Elektronen von einer Metallinsel, einer Nanoelektrode, zu einer
benachbarten Insel springen. Schaltet dieser Transistor auf "Aus",
wird dieser Elektronenstrom unterbrochen.
Nach Aussage von Dekker könne dieser Transistor auch bei Raumtemperatur
arbeiten, da wegen der geringen Größe des Röhrchens die thermischen
Fluktuationen auf dieser Größenebene vernachlässigbar seien. Bisher
gelangen anderen Forschergruppen das Schalten mit einem Elektron nur bei
extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt bei minus 273.15 Grad
Celsius. Diese Entwicklungen gelten als überaus wichtig für viel kleinere
und leistungsfähigere Computerchips in der Zukunft. Mit dieser molekularen
Elektronik eröffnet sich ein enormes Steigerungspotenzial im Vergleich zur
der heutigen Siliziumtechnologie.
Winzige Ketten aus Goldatomen sind stabiler
Dänische Wissenschaftler entwickeln neue Testmethode für
Nanomaterialien
Physiker der Technischen Universität von Dänemark http://www.dtu.dk/dtu/dtu.html
in Lyngby konnten zusammen mit spanischen Kollegen der Universidad Autónoma
in Madrid http://www.uam.es/
erstmals die Dehnbarkeit von winzigen Ketten aus etwa sieben Goldatomen
messen. Die Theorie der Quantenmechanik sagt voraus, dass sich die Bindung
zwischen einzelnen Goldatomen in einer Kette im Vergleich zum komplexen
Gold-Festkörper verdoppelt. Diese Annahme konnten sie nun bestätigen.
Die Forscher zogen mit der atomfeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops
eine winzige Goldkette aus einer Goldelektrode heraus. Eingespannt zwischen
zwei Spitzen dieser hochgenauen Analysegeräte zogen sie die Goldkette soweit
auseinander bis sie riss. Neben der doppelten Bindungsstärke zwischen den
Atomen im Vergleich zu einem Goldkristall beobachteten sie, wie die Leitfähigkeit
sehr nahe an den niedrigsten Wert heranreicht, den die Quantenmechanik überhaupt
erlaubt. Zudem untersuchten die die Steifigkeit der Kette gegen
Querverschiebungen.
Diese Nano-Goldkette selbst wird wahrscheinlich kaum eine technische
Anwendung haben, doch konnten die Forscher die Leistungsfähigkeit ihrer
mechanischen Prüfmethode für alle Arten von Nanomaterialien eindrucksvoll
unter Beweis stellen. Solche mechanischen Test-Prozeduren könnten in naher
Zukunft sehr wichtig für die weitere Entwicklung von neuen Materialien im
Nanomaßstab sein.
Neutronenfabrik ESS soll unterschiedlich pulsen
Wissenschaftler wollen kurze und lange Pulse erzeugen
Die geplante Europäische Spallations-Neuronenquelle (European Spallation
Neutron Source ESS) http://www.fz-juelich.de
soll zwei unterschiedliche "Herzen in ihrer Brust” tragen. Das habe der
aus europäischen Wissenschaftlern bestehende ESS-Council auf seiner
Juni-Sitzung in England beschlossen, teilte das Forschungszentrum Jülich mit,
das sich bei der EU als Standort für die Neutronenfabrik beworben hat. http://www.fz-juelich.de/oea/PM2001/2001-31-ESS-Council.html
Wie Pressereferent Thomas Vogt gegenüber pressetext.deutschland erläuterte,
sollen die Wasserstoffionen und Protonen nach der Beschleunigung auf zwei
unterschiedliche Ziele treffen, um dabei Atome zu zertrümmern. Das eine
Target soll durch den Neutronenbeschuss kurze Energieimpulse aussenden.
Dadurch entstehe ein Stroboskopeffekt mit hoher Ortsauflösung. Darin kann die
Bewegung von Atomen keramischer, metallischer und geologischer Materialien
sichtbar werden. Ein zweites Target soll dagegen lange Strahlungsimpulse
erzeugen. In ihnen soll die Bewegung von Molekülen der so genannten
"weichen Materie" erscheinen. Zur weichen Materie gehören
biologisches Gewebe und Kunststoffe.
Durch die unterschiedliche Pulsfrequenz wird die Bandbreite der möglichen
Experimente um ein Vielfaches erweitert. Forschungsgebiete wie Biologie,
Medizin, Pharmazie, Polymerforschung und Geologie könnten dann ebenso von der
ESS profitieren, wie die Materialforschung. Den Prototyp eines Targets hat Jülich
bereits entwickelt. "Jessica's" Kern (Bild) besteht aus Quecksilber.
Über den Bau der ESS wird die Europäische Kommission erst Ende 2003 endgültig
entscheiden. Im Mai 2002 soll eine europaweite Präsentation der ESS-Pläne
erfolgen, wobei wissenschaftliche und technische Aspekte, Kosten, und
Organisation des gesamteuropäischen Forschungsprojekts vorgestellt werden.
Der ESS-Council wurde eingesetzt, um ein tragfähiges Konzept zu erarbeiten.
In den USA und in Japan gibt es bereits ähnliche Neuronenfabriken.
Kleinste Silizium-Brücke der Welt zufällig entstanden
Stabilität und geringe Abmessungen erstaunen
Wissenschaftler
Als Nebenprodukt bei der Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen ist bei
Experimenten an der Ruhr-Uni Bochum http://www.ruhr-uni-bochum.de
die mit nur zwölf Nanometern Durchmesser kleinste Silizium-Brücke der Welt
entstanden. Mit Hilfe der so genannten Elektronenstrahllithographie hatten die
Wissenschaftler zunächst Nanostrukturen in einem Schichtsystem aus Silizium
(Si) und einer Legierung aus etwa 70 Prozent Silizium und 30 Prozent Germanium
(Ge) hergestellt. Dann wurde die Silizium-Deckschicht in einer reinen
Sauerstoff-Atmosphäre stark aufgeheizt und dabei mit einem SiO2-Film von
einem Nanometer Dicke überzogen. In Ätzlösungen, die jeweils nur ein
Material angreifen, konnten schließlich der SiO2-Film strukturiert und
Nano-Gräben in die Silizium-Schicht geätzt werden. Während des Weiterätzens
mit einer silizium- und germanium-spezifischen Lösung wurde das Silizium
letztlich unterhöhlt und bildete unterbrochene Gräben.
An besonders kurzen Unterbrechungen erhielten die Forscher freitragende Brücken
aus Silizium – im Bereich der Unterbrechungen war die
Silizium-Germanium-Legierung unter dem schmalen Steg vollständig abgeätzt
worden. Doch nicht nur die geringen Abmessungen der Brücken erstaunten die
Wissenschaftler – ihre Dicke entsprach dem 50-fachen Abstand zwischen
benachbarten Atomen –, auch ihre mechanische Stabilität wartete mit einer
Überraschung auf. Nach dem Ätz-Prozess hielt sie sowohl einer Spülung mit (Reinst-)Wasser
stand als auch dem Stickstoffstrom aus einer Druckpistole, mit dem sie
trockengeblasen wurde.
Solche "Miniatur-Baukunst" ist keine bloße Spielerei: Mit Hilfe
von verschiedenen Beschichtungen, Strukturen und ihren Engstellen lässt sich
das Verhalten von Elektronen in Halbleitern beeinflussen. So können
Wissenschaftler etwa durch gezielte Barrieren und Engstellen die
Wellenbewegungen von Elektronen steuern. Ab einer gewissen Winzigkeit von
Chips kommen so genannte "Quanteneigenschaften" zum Tragen.
Elektronen besitzen dann eine Doppelnatur und sind zeitweise Teilchen und
zeitweise Welle. In ultrakleinen Strukturen kann es dadurch zu Elektrowellen
kommen, die sich verstärkend oder auslöschend überlagern. Damit verändern
sich aber auch die Eigenschaften elektronischer Bauelemente.
Seit Einführung der Silizium-Mikrochips werden ihre Einzelbauelemente
immer kleiner. So verringern sich die Strukturabmessungen etwa alle fünf
Jahre um die Hälfte. Betrugen sie 1970 noch rund 15 Mikrometer (1 Mikrometer
= 0,001 Millimeter), könnten sie in wenigen Jahren die magische Grenze von
100 nm (1 Nanometer = 0,000001 Millimeter) unterschreiten und tatsächlich das
Zeitalter der Nano-Elektronik einläuten. Voraussetzung ist, dass die
Chip-Industrie nicht an unüberwindliche physikalische Grenzen stößt. http://www.ruhr-uni-bochum.de/rubin/rbin1_01/ing/Beitrag5/index.html
Umhüllte Wassertropfen wie Gummibälle
"Flüssige Murmeln" bieten vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten
Französischen Physikern des Collège de France http://www.college-de-france.fr
ist es mit einem simplen Trick gelungen, Wassertropfen auf Glas wie Gummibälle
hüpfen zu lassen. Sie umhüllten das Wasser mit feinem Puder. Damit zerfließen
die Tropfen nicht mehr, verhalten sich eher wie weiches Gummi und schwimmen
sogar auf Wasser, berichten sie im Fachblatt Nature http://www.nature.com
. Durch Kippen der Unterlage oder mittels schwacher elektrischer oder
magnetischer Felder gelang es den Forschern sogar, die Kugeln rollend in
gezielte Bewegung zu versetzen. Derart stabile "flüssige Murmeln"
helfen nicht nur, lang diskutierte physikalische Theorien zu klären. Sie könnten
auch in verschiedensten technischen Bereichen Anwendungen finden, so etwa auf
dem aufkommenden Gebiet der Mikrofluidik, wo für chemische oder biologische
Analysen winzige Flüssigkeitsmengen in haarfeinen Kanälen bewegt werden.
Pascale Aussillous und David Quéré hatten einzelne Wassertropfen auf ein
wasserabstoßendes Pulver aus Silan-beschichteten Sporen der Bärlapp-Pflanze
(Lycopodium) gegeben. Durch Umrühren bildeten sich beinah perfekt kugelförmige
Tropfen. Die Oberflächenspannung verleiht ihnen eine Elastizität, so dass
sie ohne Auslaufen rollen und hüpfen können. Dabei rollen größere Kugeln
langsamer als kleine, weil bei ihnen die interne Flüssigkeitsdissipation die
beschleunigende Schwerkraft ausbremst. Je nach einwirkenden Kräften können
die umhüllten Tropfen auch die Form von Ringen oder Erdnüssen annehmen.
Die "flüssigen Murmeln" rollen über Glas, statt wie normale
Wassertropfen zu rutschen oder haften zu bleiben. Statt wie eine abgeplattete
Halbkugel auf der Oberfläche zu sitzen, treten sie wie ein Ball nur auf ganz
kleiner Fläche mit ihr in Kontakt. Neben einem Einsatz in der Mikrofluidik könnten
die Tropfen auch in schnellen, verschleißfreien Mikromaschinen zum Einsatz
kommen oder als Miniatur-Kugellager dienen, so die Forscher. Zuvor allerdings
gelte es, die Stabilität und Langzeiteigenschaften der Kügelchen zu klären.
