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Dokumentation zum Forschungstag 2013HochtechnologieforschungFachvorträge – Ausstellung

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Impressum

Dokumentation zum Forschungstag 2013HochtechnologieforschungFachvorträge – Ausstellung

Impressum

Dokumentation zum Forschungstag 2013 – Hochtechnologieforschung

HerausgeberinBaden-Württemberg Stiftung gGmbHKriegsbergstraße 42 • 70174 Stuttgart

VerantwortlichRudi Beer

KonzeptionBaden-Württemberg Stiftung gGmbH

RedaktionFrank Bernard

BildmaterialTitel: iStock Seite 14: Kultur- und Kongresszentrum Liederhalle Seite 102: Fraunhofer IPASeite 110: iStock Baden-Württemberg Stiftung gGmbH

GestaltungBaden-Württemberg Stiftung gGmbH mit Unterstützung durch FLAD & FLAD Communication GmbH

© Dezember 2013, Stuttgart

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wie sah das Universum unmittelbar nach dem Urknall aus? Wie dünn kann man einen Faden spinnen? Und welche Mög-lichkeiten bietet ein Rechner mit 113.000 Prozessorkernen? Antworten auf diese und viele weitere Fragen aus der Hoch-technologieforschung gab es im vergangenen Jahr für die Gäste des Forschungstages der Baden-Württemberg Stiftung in der Stuttgarter Liederhalle.

Seit seiner Premiere im Jahr 2007 ist der Forschungstag be-reits zu einer festen Institution geworden. Nachdem im Jahr 2011 in Heidelberg die Lebenswissenschaften im Mittelpunkt standen, lag der Fokus bei der vierten Auflage, wie schon

2009, auf der Hochtechnologie. Dass die Wissenschaftlerin-nen und Wissenschaftler des Landes in diesem Bereich zur internationalen Spitze zählen, davon konnte man sich vor Ort ein eindrucksvolles Bild verschaffen. Von der Nanotechnologie bis zum Hochleistungsrechnen, von den optischen Technolo-gien bis zur organischen Photovoltaik – der neueste Stand der Technik war in ganz unterschiedlichen Facetten zu bestau-nen.

Beim Forschungstag geht es jedoch nicht allein darum, For-schungsvorhaben zu präsentieren, die von der Stiftung unter-stützt werden. Die Veranstaltung bietet den Teilnehmerinnen und Teilnehmern vielmehr eine gute Chance, sich auszutau-schen und miteinander ins Gespräch zu kommen. Und das

Feedback in den vergangenen Jahren hat gezeigt: der For-schungstag ist die perfekte Gelegenheit, gemeinsam span-nende Ideen zu entwickeln und fruchtbare neue Kooperatio-nen anzubahnen. Wir freuen uns deshalb außerordentlich, dass erneut über 700 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft-ler, aber auch Vertreterinnen und Vertreter aus Politik, Wirt-schaft und Verwaltung unserer Einladung zum Forschungstag gefolgt sind.

Als rohstoffarmes Land ist Baden-Württemberg zwingend auf Innovationen angewiesen, wenn der nächsten Generation eine Zukunft in Wohlstand gesichert werden soll. Studien über

die Innovationsfähigkeit von Regionen haben in der Vergan-genheit zwar regelmäßig die Vorreiterrolle des Landes bestä-tigt, eine solche Position muss aber aktiv gehalten werden. Unter unserem Motto „Wir stiften Zukunft“ wollen wir dazu beitragen und fi nanzieren Projekte und Programme in den drei Bereichen Forschung, Bildung sowie Gesellschaft und Kultur. Seit unserer Gründung im Jahr 2000 haben wir dafür weit über 680 Mio. € ausgegeben, davon rd. 240 Mio. € für die Forschung. Damit ist die Baden-Württemberg Stiftung eine der größten operativen deutschen Stiftungen.

Welche Arbeiten im Bereich Hochtechnologieforschung die Baden-Württemberg Stiftung aktuell unterstützt, wurde beim Forschungstag insbesondere in der Poster- und Expo-

natausstellung deutlich. Mehr als 100 Projekte aus den unter-schiedlichen Programmlinien der Stiftung präsentierten dort die neuesten Trends auf ihrem Gebiet. Ein herzlicher Dank gilt deshalb an dieser Stelle allen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Forschungsprojekte für ihre Beteili-gung an der Ausstellung. Besonders danken wir auch den Referentinnen und Referenten für die anregenden Beiträge und allen, die zum Erfolg des Forschungstages 2013 beigetra-gen haben.

Christoph DahlGeschäftsführer derBaden-Württemberg Stiftung

Rudi BeerAbteilungsleiter Forschung derBaden-Württemberg Stiftung

Liebe Leserin, lieber Leser,

Vorwort

Christoph Dahl Rudi Beer

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Hybride Resonatoren und plasmonisch strukturierte GRIN-Linsen als kompakte Sensoren für Einzelpartikel 30Andreas Horrer, Michael Metzger, Sabrina Rau, Günter Gauglitz, Monika Fleischer, Dieter P. Kern, Alfred J. Meixner, Günther Proll, Dai Zhang, Marc Brecht

Schnelle Inline-Messtechnik mit Zellularen Neuronalen Netzen für Hochleistungsfertigungsverfahren zur Prozessregelung und Qualitätskontrolle 31Daniel Carl, Andreas Blug, Heinrich Höfl er, Andreas Kailer, Jan Nekarda, Thomas Graf

Laserbasierter Ultraschall für metrologische Anwendungen 32Niko Krauß, Felix Noll, Mike Hettich, Christoph Kölbl, Dirk Heinecke, Raphael Gebs, Thomas Dekorsy

NeuroModal: Die intraoperative Bildgebungsplattform NeuroComrade 33Frank Duffner, Matthias Pfeifl e, Rainer Ritz, Susan Noell, Florian Ebner, Jakob Marquardt, Edwin Ostertag, Sabrina Luckow-Markgraf, Barbara Boldrini, Anita Lorenz, Rudolf Kessler

NeuroModal: Multimodalspektroskopie mit multivariater Datenanalyse für die Charakterisierung hirneigener Tumoren 34Edwin Ostertag, Barbara Boldrini, Sabrina Luckow-Markgraf, Anita Lorenz, Matthias Pfeifl e, Susan Noell, Florian Ebner, Jakob Marquardt, Reiner Ritz, Rudolf W. Kessler, Frank Duffner

FASOR – FASerOptischer Resonator als Wellenlängenreferenz für LASER 35Florian Karlewski, Markus Mack, József Fortágh

Nonlinear Plasmonics 36Bastian Knabe, Karsten Buse, Bernd Metzger, Mario Hentschel, Harald Giessen

Design of a hybrid miniaturized zoom imaging system 37Simon Thiele, Marc Blattmann, Hans Zappe, Andreas Seifert, Alois Herkommer

Hochgenaue und absolut-kalibrierte Distanzmessung durch Kombination von Laser-Phasenlaufzeitmessung mit digitaler Holographie 38Markus Fratz, Claudius Weimann, Harald Wölfelschneider, Christian Koos, Heinrich Höfl er

Marker Free Karyotyping by Hyperspectral Imaging of Chromosomes 39Sabrina Luckow-Markgraf, Anita Lorenz, Karsten Rebner, Rudolf W. Kessler

Tiefenaufgelöste Fluoreszenzdetektion für die medizinische Diagnostik 40P. Schau, A. Brandes, K. Frenner, J. Schäfer, A. Kienle, W. Osten

Visualizing Cellular Microstructure by Light Scattering Microscopy 41Verena Richter, Thomas Rothe, Florian Voit, Alwin Kienle, Herbert Schneckenburger

Characterization of Polymer Nanocomposites using Optical Coherence Tomography – ChaPlyN 42Christian Koos, Simon Schneider, Christof Hübner, Irma Mikonsaari

Hot Rydberg atoms for quantum optics 43Bernhard Huber, Andreas Kölle, Harald Kübler, Georg Epple, Kathrin Kleinbach, Alban Urvoy, Fabian Ripka, Renate Daschner, Robert Löw, Tilman Pfau

Lasermaterialbearbeitung des Verbundwerkstoffes Hohlkugelstrukturen: Experimente und numerische Simulation 44Markus Merkel, Harald Riegel, Jörg Fruhstuck, Rolf Winkler

Vorwort der Baden-Württemberg Stiftung 2

Christoph Dahl, Geschäftsführer; Rudi Beer, Abteilungsleiter Forschung

1 Plenarvorträge 14

Neues Denken. Freiheit und Verantwortung der Wissenschaft 15Theresia Bauer, MdL

Druckbare Elektroden für effi ziente organische Solarzellen 16Dr. Alexander Colsmann

ZEISS: Enabling the Nano Age World 17Dr. Hermann Gerlinger

Wissenschaft Innovation 18Prof. Dr. Peter Gruss

Higgs und High-Tech am Forschungszentrum CERN 19Prof. Dr. Rolf-Dieter Heuer

Quantensprung in die Nanowelt 20Prof. Dr. Klaus von Klitzing

Neue Supermikrofasern auf Basis von Cellulose und Cellulose-2,5-Acetat mittels ultrafeinen Laser-geborten Spinndüsen 21Prof. Dr. Michael R. Buchmeiser

Crashsimulation auf HPC-Rechnern – Status-quo und zukünftige Herausforderungen 22Prof. Dr. Erich Schelkle

Optik für den Kernspintomographen 23Prof. Dr. Ulrike Wallrabe

Potenziale und Chancen der Lichtlenkung – Intelligente Beleuchtung durch Nanotechnologie 24Prof. Dr. Hartmut Hillmer

2 Posterausstellung 26

2.1 Optische Technologien

Multiskalige Inspektion mittels Defl ektometrie und Wavelet-basierten Verfahren (MID-WAVE) 27Jürgen Beyerer, Thomas Greiner, Tan-Toan Le, Matthias Ziebarth, Dr. Michael Heizmann

Polieren als Endbearbeitungsprozess – von der keramischen Laseroptik bis zum Optikelement aus Kunststoff 28Rainer Börret, Marco Speich, Jonas Mazal, Andreas Kelm, Dominik Wiedemann

NaproLas – Hybrid-Nahbereichsprofi lometrie zur Vermessung von Laserprozessen 29M. Boley, R. Weber, T. Graf, Harald Wölfelschneider, H. Höfl er

Inhaltsverzeichnis

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Multiskalige Molekulare Bildgebung (MMB) 45Niels Kröger, Alexander Egl, Norbert Gretz, Iris Herpich, Anton Hasenkampf, Katharina Haase, Maria Engel, Sabine Neudecker, Annemarie Pucci, Wolfgang Petrich

Automatisierte multiskalige Prüftechnik für die Inspektion technischer Oberfl ächen 46Marc Gronle, Alexander Keck, Michael Böhm, Wolfram Lyda, Oliver Sawodny, Wolfgang Osten

Label-free characterization of mesenchymal stem cells (MSCs) and their differentiation using Raman spectroscopy 48Eva Brauchle, Daniel Carvajal-Berrio, Katja Schenke-Layland

A FRET-based molecular-mechanical sensor to measure nanoscopic fl ow with high sensitivity 49Daniel Basler, Wolfgang Leis, Bernd Görlach, R. Martin Kemmler, Alfred J. Meixner, Sven zur Oven-Krockhaus, Frank Schleifenbaum

A Light Sheet Module for 3D Fluorescence Microscopy and Nanosecond Ratio Imaging of Tumour Cell Spheroids 50Sarah Schickinger, Thomas Bruns, Michael Wagner, Rainer Wittig, Herbert Schneckenburger

Growth of GaN micro- and nanostructures for sensor applications 51Dominik Heinz, Mohamed Fikry, Manfred Madel, Sebastian Bauer, Florian Huber, Tobias Meisch, Matthias Hocker, Ingo Tischer, Manuel Frey, Benjamin Neuschl, Klaus Thonke, Ferdinand Scholz

ZnO nanowire sensors for gases and organic molecules 52Manfred Madel, Julian Jakob, Simon Berke, Benjamin Neuschl, Martin Dickel, Florian Huber, Matthias Hocker, Ingo Tischer, Mohamed Fikry, Dominik Heinz, Ferdinand Scholz, Klaus Thonke

Ein bildgebendes Echtzeit-Analyse-System auf Basis hochperformanter Hardware-Architekturen 53Silvia Ahmed, Michael Klaiber, Wenbin Li, Sven Simon

Verformung von Mikrosystemen bei hohen Temperaturen 54K. Hanka, M. Steiert, M. Berndt, R. Zeiser

Produktionsumfeldgerechtes, multifokales Messsystem für kombinierte, schnelle Erfassung von Topographie und lokaler Mikro- und Nanostruktur 55Raphael Mader, Silvia Ahmed, Sven Simon, Karl Stock

Optik und Kernspin – Duale Mikroskopie für die Lebenswissenschaften 56Matthias C. Wapler, Jens Gröbner, Dominik von Elverfeldt, Maxim Zaitsev, Ulrike Wallrabe

CareCut – Grundlagen zur Laserbearbeitung von Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) 57Margit Wiedenmann, Volkher Onuseit, Rudolf Weber, Thomas Graf, Peter Mayr, David Saal, Florian Voit, Jan Schäfer, Florian Foschum, Ansgar Hohmann, Alwin Kienle

Optical spectroscopy in organic solar cell research 58Marius van den Berg, Xiao Wang, Alfred J. Meixner, Dai Zhang

Label free analysis of peptide arrays using Imaging Refl ectometric Interference Spectroscopy (iRIfS) 59Barbara Schwarz, Günther Proll, Günter Gauglitz

2.2 Funktionelle Nanostrukturen

Spektroskopie, Spin- und Transporteigenschaften von Andreev-Molekül-Zuständen 61Simon Diesch, Peter Machon, Wolfgang Belzig, Elke Scheer, Michael. J. Wolf, Detlef Beckmann, Christoph Sürgers, Hilbert v. Löhneysen

Selbstwachsende Elektronik aus Zinkoxid nach dem Vorbild der Bildung von Perlmutt 62Nina Blumenstein, Petia Atanasova, Luciana Pitta Bauermann, Peter Gerstel, Joachim Bill, Stefan Walheim, Cheng Huang, Armin Müller, Svetlana Khasmiskaya, Thomas Schimmel

Chemisch funktionalisiertes Graphen für die Spintronik 63Christian Cervetti, Marko Burghard, Lapo Bogani

Kodierte Selbstorganisation von Nanopartikeln und Mechanismen der nichtklassischen Kristallisation 64Helmut Cölfen, Tuan Anh Pham, Stefan Schiller, Andreas Schreiber, Andreas Ziegler

Center for Light-Matter Interaction, Sensors & Analytics (LISA+) 65Monika Fleischer, Dieter Koelle, Udo Weimar

Plasmonic Protein Sensing 66Harald Giessen, Frank Neubrech, Claudia Pacholski, Karin Hauser

Die Chemie macht’s möglich: Ortsselektives Wachstum von viralen Systemen auf Oberfl ächen als Basis für die Diagnostik von morgen 67H. Gliemann, C. Azucena, F. Eber, K. Wabbel, S. Walheim, T. Schimmel, H. Jeske, S. Eiben, C. Wege

Nahfeldeffekte und Energietransfer in gemischten metallisch-oxidischen Nanostrukturen 68Ulrich Herr, Balati Kuerbanjiang, Cahit Benel, Giorgos Papageorgiou, Manuel Goncalves, Johannes Boneberg, Paul Leiderer, Paul Ziemann, Peter Marek, Horst Hahn

Control of vascular cells by small surface features 69Alexandra M. Greiner, Hao Chen, Adria Sales, Dieter Kaufmann, Ralf Kemkemer

Advanced Optical Nanoscopy: from fundamental research to industry application 70Edwin Ostertag, Dai Zhang, Rudolf W. Kessler, Alfred J. Meixner

Synthesis and electronic transport properties of single molecules 71Michal Valasek, Marcin Lindner, David Weber, Mohammad Amin Karimi, Maya Lukas, Hilbert v. Löhneysen, Elke Scheer, Marcel Mayor

Research Network of Excellence on Functional Nanostructures Baden-Württemberg Project A07: Infl uence of the Substrate Structure on the Nanomechanics of Focal Adhesion Points – Progress Report 72Ines Martin, Michael Beil, Paul Walther, Thomas Schimmel, Stefan Walheim, Othmar Marti

Organische Feldeffekttransistoren auf der Basis von funktionalisierten Polyethylen-Nanokristallen 73Patrick Ortmann, Justyna Trzaskowski, Rainhard Machatschek, Günter Reiter, Elizabeth von Hauff, Paul Leiderer, Stefan Mecking

Durchstimmbare Mikroresonatoren: Die kleinsten Spektrometer der Welt 74Alexander Konrad, Michael Metzger, Andreas Kern, Marc Brecht, Alfred J. Meixner

Inhaltsverzeichnis

1110

Sharp Gold-tip as Luminescent Nearfi eld Probe 75Sebastian Jäger, Andreas M. Kern, Mario Hentschel, Regina Jäger, Kai Braun, Dai Zhang, Harald Giessen, Alfred J. Meixner

Photolubrikation: Die Steuerung von mechanischer Reibung mit Licht 76Markus Moosmann, Stefan Walheim, Othmar Marti, Thomas Schimmel

Diamond for Quantum Optics 77C. Schreyvogel, C. Widmann, M. Wolfer, H. Kato, H. Obloh, W. Müller-Sebert, O. Ambacher, C. E. Nebel

Integration von Porenproteinen in elektrische Nanostrukturen für die Biosensorik 78Franjo Artukovic, Fabian Enderle, Axel Seidenstücker, Stephan Nussberger, Dirk Linke, Alfred Plettl, Paul Ziemann

Thermoelectric and inelastic effects for charge transport in atomic and molecular contacts 79Bastian Kopp, Thomas J. Hellmuth, Wolfgang Belzig, Elke Scheer, Gerd Schön, Paul Leiderer, Fabian Pauly

Das Kompetenznetz „Funktionelle Nanostrukturen“ 80Prof. Dr. Thomas Schimmel, Prof. Dr. Hilbert v. Löhneysen, Dr. Matthias Barczewski, Dipl.-Phys. Markus Moosmann

Der Einzelatomtransistor: Elektrische Ströme schalten mit einem einzigen Atom 81F.-Q. Xie, F. Wertz, R. Maul, W. Wenzel, G. Schön, F. Evers, A. Groß, Th. Schimmel

Der Salvinia-Effekt: Perspektiven für bionische Schiffsbeschichtungen 82Stefan Walheim, Matthias Barczewski, Aaron Kobler, Daniel Gandyra, Matthias Mail, Wilhelm Barthlott, Thomas Schimmel

Einfache Quantenoperationen an molekularen Magneten auf Oberfl ächen 83Uta Schlickum, Wulf Wulfhekel, Mario Ruben

Nanomagnetismus – mikroskopische Analyse neuartiger Nanostrukturen 84Joachim Gräfe, Felix Haering, Ulf Wiedwald, Paul Ziemann, Andreas Wallucks, Kristof Lebecki, Ulrich Nowak, Eberhard Goering, Gisela Schütz

Zelluläre Kraftwerke: Stromgeneration mit lebenden Zellen auf Nanoelektroden-besetzten Oberfl ächen 85Joachim P. Spatz, Amin Rustom, Hilmar Bading, C. Peter Bengtson, Thomas Schimmel, Stefan Walheim

Mit Virusbausteinen zum Multitasking: Gestreifte Nanosticks und programmierbare Sterne als „intelligente“ Funktionsträger für Materialien der Zukunft 86Christina Wege, Fabian Eber, Fania Geiger, Sabine Eiben, K. Wabbel, Holger Jeske, Sven Degenhard, Klara Altintoprak, Anna Müller, Anan Kadri, Joachim Spatz, Alexander Bittner, Stefan Walheim, Thomas Schimmel, Zhenyu Wu, Carl E. Krill III,Jörg J. Schneider, Joachim Bill, Petia Atanasova, Carlos Azucena, Hartmut Gliemann

Nanoelectrochemistry on bimetallic electrodes: Infl uence of dimensionality and structure 87Rolf Jürgen Behm, Axel Groß, Christof Wöll, Stephan Beckord, Albert K. Engstfeld, Jan Kucera, Peter Lindemann

Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy on a (5 nm)3 sample volume 88Tobias Staudacher, Thomas Häberle, Dominik Schmid-Lorch, Julia Tisler, Thomas Oeckinghaus, Friedemann Reinhard,Jörg Wrachtrup, Christoph Nebel

Spintronic at room temperature – electroluminiscence of single defects and spin dependent charge transport 89Helmut Fedder, Hiromitsu Kato, Marco Wolfer, Christoph Schreyvogel, Michael Kunzer, Sang-Yun Lee, Mathias Widmann,Torsten Rendler, Christoph Nebel, Oliver Ambacher, Jörg Wrachtrup

Biofunktionalisierung und Nanostrukturierung von GaAs für den Einsatz im MIR-Mach-Zehnder-Interferometer 90Melanie Ewald, Lothar Leidner, Günter Gauglitz

2.3 Umwelttechnologieforschung

Microstructure analysis and process technology for highly effi cient solar cell contacts – Aims & results of the project MikroSol 93Rene Hoenig, Michael Duerrschnabel, Willem van Mierlo, Florian Clement, Zainul Aabdin, Joerg Bernhard, Johannes Biskupek, Oliver Eibl, Ute Kaiser, Daniel Biro

MikroSol – Qualitative and quantitative analyses of the interfacial micro-/nanostructure and phase formation 94Rene Hoenig, Michael Duerrschnabel, Willem van Mierlo, Florian Clement, Zainul Aabdin, Joerg Bernhard, Johannes Biskupek, Oliver Eibl, Ute Kaiser, Daniel Biro

Recovery of Phosphate with Magnetically Separable Particles 95Asya Drenkova-Tuhtan, Karl Mandel, Anja Paulus, Carsten Meyer, Frank Hutter, Carsten Gellermann, Gerhard Sextl, Heidrun Steinmetz, Denis Horn, Stefanie Bunzel

Top Spin – Laserfertigung kleinster Mikrodurchbrüche zur umweltfreundlichen Herstellung von Supermikrofasern 96Anne Feuer, Martin Kraus, Rudolf Weber, Thomas Graf, Denis Ingildeev, Frank Hermanutz

Mikrobielle Brennstoffzellen: Innovative Ansätze und Technologien für die regenerative Elektrizitätsgewinnung aus Abwasser 97Kerstin Dolch, Joana Danzer, Sven Kerzenmacher, Johannes Gescher

Neue thermoelektrische Systeme für die energieeffi zente Auslegung und Kontrolle chemischer Prozesse 98Stefan Löbbecke, Jürgen Antes, Harald Hillebrecht, Uwe Pelz, Katrin Kaspar, Martin Jaegle, Karina R. Tarantik, Angela Pfaadt, Peter Woias, Reinhard Roth, Keith Cobry

Thermoplastic Materials from Renewable Resources with Complete Feedstock Utilization 99Josefi ne T. Christl, Philipp Roesle, Florian Stempfl e, Benjamin Ritter, Philipp Wucher,Ilona Heckler, Inigo Göttker-Schnetmann, Gerhard Müller, Rolf Mülhaupt, Lucia Caporaso, Stefan Mecking

Heterogen katalysierte Umwandlung von Dimethylether zu Kraftstoff an hierarchischen Zeolithen 100M. Zimmermann, Th. N. Otto, F. Meseck, B. Powietzka, D. Neumann-Walter, E. Dinjus

Forschungsprojekt ELKoB – Optimierung der Energieeffi zienz von Intralogistikressourcen 101Karl-Heinz Wehking, Peter Göhner, Alexander Hoppe, Reem Kadadihi

2.4 Informations- und Kommunikationstechnologie

ATLAS – Approaching intuitive Teleoperation 103Felix Meßmer, Georg Arbeiter, Simon Notheis, Michael Mende, Björn Hein, Christian Connette, Heinz Wörn

AssiEff – Assistenzsysteme für die auftragsbezogene, energieeffi ziente Produktion 104Stefan Gerlach, Sebastian Schlund, Uwe Laufs, Christopher Ruff

Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis

Effi zienzsteigerung in der Produktion durch agentbasierte Fertigungssystemplanung 105Michael Rauscher, Alexander Bader, Peter Göhner, Uwe Heisel, Thomas Stehle

Dynamische Kapazitäts- und Investitionsplanung von Produktionssystemen: Efi stO 106Steven Peters, Gisela Lanza

Digitaler Engineering Tisch – ein interaktives Assistenzsystem für Multi-User-Engineering 107Sebastian Maier, Jan Hendrik Hammer, Miriam Schleipen, Thomas Usländer

GreenRBG – Energieeffi ziente Steuerung von Regalbediengeräten unter Berücksichtigung der Systemleistung 108Tobias Sommer, Michael Voß

Energieeffi ziente Industrieroboter – Verbrauchserfassung, Offl ine-Simulation und -Optimierung 109Alexander Spiller, Armin Lechler

2.5 High Performance Computing

Großskalige numerische Simulation von Prozessen bei der CO2-Speicherung in geologischen Formationen 111Peter Bastian, Olaf Ippisch, Rebecca Neumann, Holger Class, Bernd Flemisch, Rainer Helmig, Lena Walter

Massive Parallel Forward and Inverse Simulation of Water and Solute Transport in Porous Media 112O. Ippisch, A. Ngo, R. L. Schwede, W. Li, M. Blatt, P. Bastian, O. A. Cirpka

Ein mehrskaliges und wolkenaufl ösendes Ensemblesystem auf Höchstleistungsrechnern – Anwendung auf die Niederschlagsvorhersage 113Vera Maurer, Leonhard Gantner, Norbert Kalthoff

Spitzenforschung am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart 114Bastian Koller, Alexey Cheptsov, Michael Gienger, Colin W. Glass, José Gracia, Uwe Wössner

Modeling the Dynamics of Neurotransmitter at Inhibitory Synapses 115Susanne Höllbacher, Fabian Roth, Martin Stepniewski, Gillian Queisser, Gabirel Wittum, Andreas Draguhn

Reduzierung numerischer Sensitivitäten in der Crashsimulation 116C. Eck, O. Mangold, R. Prohl, A. Tkachuk, E. Schelkle

Modelling assembly of the TatA pore forming complex using an implicit membrane model 117M. Wolf, T. Walther, C. Gottselig, S. Grage, A. Vargiu, M. Klein, S. Vollmer, S. Prock, M. Hartmann, S. Afonin, E. Stockwald,H. Heinzmann, W. Wenzel, P. Ruggerone, A. Ulrich

2.6 Mikrosystemtechnik

QCM based hemostasis measurements on a microfl uidic platform 119S. Sinn, L. Müller, M. Hussain, H. Drechsel, H. Northoff, F. K. Gehring

Diamond technology for electrochemical biochips 120Alberto Pasquarelli, Talita Conte, Ziyao Gao, Patrick Herfurth, Erhard Kohn

Carbon nanotube electrodes for neuronal recording and stimulation 121Boris Stamm, Kerstin Schneider, Katja Gutöhrlein, Thoralf Herrmann, Claus Burkhardt, Dieter P. Kern, Alfred Stett

Multiplex genotyping of KRAS point mutations in tumorcell DNA by allele-specifi c real-time PCR on a centrifugal microfl uidic disk segment 122Oliver Strohmeier, Silke Laßmann, Bianca Riedel, Daniel Mark, Günter Roth, Martin Werner, Roland Zengerle, Felix von Stetten

Herstellung von polymeren Mikrohohlnadeln mittels UV Imprint-Lithographie 123G. Welte, T. Rieper, A. Schumacher, M. Schmelz, C. Müller, H. Reinecke

2.7 Organische Photovoltaik

Organische Tandemsolarmodule – Grundlagen und Hochskalierung 125C. D. Wessendorf, J. Hanisch, E. Ahlswede, A. Quintilla, A. Arndt, U. Lemmer, G. L. Schulz, P. Bäuerle

Nanostrukturierte organische Photovoltaik-Zellen 126Christopher Lorch, Rupak Banerjee, Dominik Gollmer, Felicitas Walter, Xiao Wang, Marius van den Berg, Alexander Gerlach, Heiko Peisert, Alfred Meixner, Dai Zhang, Dieter P. Kern, Monika Fleischer, Frank Schreiber

Development of ITO-Free Flexible Organic Solar Modules 127Deepak Kaduwal, Patrick Reinecke, Birger Zimmermann, Thomas Kroyer, Uli Würfel

2.8 Internationale Spitzenforschung

Galaxy clusters probed by strong gravitational lensing 129Britta Zieser, Matthias Redlich, Matthias Bartelmann

Was macht Holz so attraktiv? Transformation von Kundenwünschen in messbare Materialkennwerte 130Andreas Manuel, Lorenz Breinigl, Rainer Leonhart, Franka Brüchert, Gero Becker, Udo Sauter

Non-invasive Glucose Sensing 131Martin Mesch, Bettina Frank, Mario Hentschel, Martin Schäferling, Xinghui Yin, Chunjie Zhang, Paul V. Braun, Harald Giessen

The Formation of the First Stars in the Universe 132Rowan J. Smith, Jennifer Schober, Ralf Klessen, Paul Clark, Simon Glover & Mei Sasaki

Complex Event Processing in the Large (CEPiL) 133Kurt Rothermel, Boris Koldehofe, Beate Ottenwälder, Ruben Mayer, Umakishore Ramachandran

3 Impressionen zum Forschungstag 134

15

Der Forschungstag ist eine Leistungsschau der Forschung in unserem Land – und ein eindrucksvoller Beleg dafür, dass Wis-senschaft ein großes Abenteuer ist. Sie ist ein Ort der Freiheit – ein Ort für kreatives Denken, die Suche nach Neuem und das Hinterfragen alter Gewissheiten. Sie ist so etwas ist wie „ver-edelte Neugier“, die zur Natur des Menschen gehört und die Menschheit vorantreibt. Doch Wissenschaft und Forschung schaffen auch Unruhe. Sie sind folgenreich, brisant und manch-mal sogar gefährlich. Sie erfordern daher Bewertungen, Ur-teile und eine öffentliche Diskussion ihrer Erkenntnisse. Ohne Wissenschaft lassen sich die gesellschaftlichen und globalen Herausforderungen nicht bewältigen. Und um ihr Potenzial entfalten zu können, braucht Forschung Freiheit. Doch die Frei-heit muss einhergehen mit Verantwortung. Hochschulen und Forschungseinrichtungen sind der Gesellschaft gegenüber verpfl ichtet. Daher ist es wichtig, dass ihre Ergebnisse mög-lichst frei zugänglich sind, dass ein diskriminierungsfreier Zu-gang zu Forschung und Lehre gewährleistet ist und dass ein aktiver Austausch zwischen Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft stattfi ndet. Gute Innovationen müssen bei den Men-schen ankommen, sie müssen in der Praxis funktionieren und auf Akzeptanz treffen. Freiheit und Verantwortung gehören un-trennbar zusammen – wie zwei Seiten einer Medaille.

Plenarvorträge

1965 geboren in Zweibrücken

1985–1993 Studium der Politikwissenschaften, Volkswirt-schaft und Germanistik in Heidelberg und Mannheim

seit 1987 Mitglied Die Grünen, heute Bündnis 90/Die Grünen

1993–2011 Referentin und seit 1995 Geschäftsführerin der Heinrich-Böll-Stiftung Baden-Württemberg

seit 2001 Mitglied des Landtags von Baden-Württem-berg (Mitglied im Ausschuss für Wissenschaft, Forschung und Kunst, hochschulpolitische Sprecherin, stellvertretende Fraktionsvorsit-zende von Bündnis 90/Die Grünen, parlamen-tarische Geschäftsführerin)

seit 2011 Ministerin für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg

Neues Denken. Freiheit und Neues Denken. Freiheit und Verantwortung der WissenschaftNeues Denken. Freiheit und Verantwortung der WissenschaftNeues Denken. Freiheit und

VITAVITATheresia Bauer, MdL

1PlenarvorträgeAusführlicher BerichtAusführlicher Bericht

1716

Enabling the Nano Age WorldDie organische Photovoltaik bietet die Möglichkeit, die Her-stellungskosten von Solarzellen deutlich zu senken. Besonders aussichtsreich dafür ist der Ansatz, die Elektroden der Zellen – ähnlich wie Zeitungs- oder Zeitschriftenseiten zu drucken. In einem interdisziplinären Forscherteam am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde dafür die Grundlage geschaffen:

eine Art Werkzeugkasten mit verschiedenen Materialien und Herstellungsverfahren für das Drucken unterschiedlicher Typen von organischen Solarzellen. Diese eröffnen zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für die Photovoltaik: zum Beispiel, um die Akkus mobiler Geräte wie Smartphones und Musik-player unterwegs mit Solarstrom aufzuladen, als fl exible Fas-sadenelemente an Gebäuden oder als Bestandteil transparen-

ter Fensterfolien, die das Sonnenlicht abschatten und zugleich elektrischen Strom daraus erzeugen. Wichtige Bestandteile der neu geschaffenen Toolbox sind Elektroden mit aufgedruckten Metallfi lmen, transparente Elektroden aus leitfähigen Polyme-ren sowie Elektroden, die Kupfer-Nanopartikel oder nanometer-feine Drähte aus Silber enthalten. Ein Ziel ist es, die Technolo-

gien nun für die Fertigung großfl ächiger fl exibler Solarzellen weiterzuentwickeln.

Die Mikroelektronik ist aus vielen Bereichen des Alltags nicht mehr wegzudenken – etwa in Smartphones, die sehr viel mehr Anwendungsmöglichkeiten bieten als nur zu telefo-nieren. Künftig werden sogar Dinge wie Autos und Gebäude selbstständig miteinander kommunizieren. Ermöglicht wer-den solche Technologien durch rasante Fortschritte in den Fertigungstechnologien für Halbleiterchips. Eine stetige Minia-turisierung der elektronischen Bauteile auf den Chips macht diese immer leistungsfähiger – und Rechenpower immer preis-günstiger. Die Grundlagen dafür werden bei Carl Zeiss SMT entwickelt: Hochleistungsoptiken für Wafer-Stepper – High-Tech-Geräte, die winzige elektronische Strukturen mithilfe von Laserlicht auf das Halbleiter-Material projizieren. Dazu rei-zen die Forscher und Ingenieure bei Zeiss die Fähigkeiten der Optik bis über das physikalische Limit hinaus aus. Derzeit steht ein großer Schritt bevor: weg vom bisher genutzten ultravio-letten Laserlicht und hin zu Röntgenstrahlung. Das beinhaltet enorme technische Herausforderungen dar, wird aber die Miniaturisierung der Mikroelektronik weiter vorantreiben – und die Tür zu zahlreichen Innovationen und neuen Anwen-dungen aufstoßen.

1953 geboren in Bad Mergentheim

1979 Physik-Diplom an der Universität Würzburg

1983 Promotion an der Universität Würzburg

1984 Eintritt bei Carl Zeiss als wissenschaftlicher Mitarbei-ter und Projektleiter Spektroskopie, Ernennung zum Akademischen Rat auf Zeit der Universität Würzburg

1990 Leiter des Produktbereichs Optische Prozessmess-technik

1993 Projektleiter Messtechnik für den Geschäftsbereich Lithografi eoptik

1995 Entwicklungsleiter Systemtechnologie des Ge-schäftsbereichs Lithografi eoptik

1997 Leiter Operations des Geschäftsbereichs Lithografi e-optik

1999 Leiter des Unternehmensbereichs Semiconductor Manufacturing Technology

2001 Berufung als Vorstandsvorsitzender der Carl Zeiss SMT AG (seit 2010 nach Formwechsel Vorsitzender der Geschäftsführung der Carl Zeiss SMT GmbH)

2006 Berufung in den Konzernvorstand der Carl Zeiss AG

1975 geboren in Berlin

1997–2003 Studium der Physik an der Ludwig Maximilians Universität, München

2008 Promotion an der Universität Karlsruhe (TH)

seit 2008 Arbeitsgruppenleiter Organische Photovoltaik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

2011 Gastwissenschaftler am Bio21 Institute, University of Melbourne, Australien

seit 2012 Leiter der BMBF-geförderten Nachwuchsgruppe Tandem-Architekturen für effi ziente organische Solarzellen

VITAVITA

VITAVITA

Dr. Alexander Colsmann

Dr. Hermann Gerlinger

Druckbare Elektroden für e� ziente organische SolarzellenDruckbare Elektroden für e� ziente organische SolarzellenDruckbare Elektroden für

ZEISS: ZEISS: Enabling the Nano Age WorldZEISS: Enabling the Nano Age World

Plenarvorträge

Ausführlicher BerichtAusführlicher Bericht


1918

VITAVITA 1948 geboren in Boll/Göppingen

1969–1974 Studium der Physik an der Universität Stuttgart

1977 Promotion an der Universität Heidelberg

1978–1983 Mitglied des JADE-Experiments am Speicherring PETRA des Deutschen Elektronen Synchrotrons (DESY)

1984–1998 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am CERN, Genf

seit 1998 Professor an der Universität Hamburg

2004–2008 Forschungsdirektor Teilchen- und Astroteilchenphysik am DESY

seit 2009 CERN-Generaldirektor

1949 geboren in Alsfeld

1968–1974 Studium der Biologie an der TU Darmstadt

1977 Promotion an der Universität Heidelberg

1977–1978 Assistent am Institut für Virusforschung, Heidelberg

1978–1982 Postdoktorand / Expert Consultant am Natio-nal Cancer Institute der NIH, Bethesda, USA

1982–1986 Professor am Institut für Mikrobiologie der Universität Heidelberg

seit 1986 Wissenschaftliches Mitglied und Direktor der Abteilung „Molekulare Zellbiologie“ am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, Göttingen

seit 1990 Honorarprofessor an der Universität Göttingen

seit 2002 Präsident der Max-Planck-Gesellschaft

Plenarvorträge

Wissenschaft schafft Innovation. Doch sie schafft mehr als das. Sie schafft – direkt und indirekt – Arbeitsplätze. Und sie er-zeugt durch technologisch verwertbare Erkenntnisse einen enormen Wert für die Gesellschaft. Für das Humangenom-Projekt wurden beispielsweise insgesamt 3,8 Milliarden US-Dollar aufgewandt. Inzwischen fl ossen durch seine verwert-baren Resultate für jeden investierten Dollar 140 Dollar „Return-on-investment“ zurück. Wissenschaft muss vor allem den Menschen dienen. Und sie muss ihr Wissen vermitteln, damit es Akzeptanz fi ndet. Unsere Gesellschaft muss innovations-freundlich bleiben – damit Deutschland als Industriestandort im internationalen Wettbewerb bestehen kann. Triebfeder für den wirtschaftlichen Fortschritt sind neue Technologien – auf der Basis wissenschaftlicher Konzepte. Dabei gilt: Je höher entwickelt ein Land ist, desto mehr muss es in Forschung und Entwicklung investieren. Doch hier hat sich in den letzten Jah-ren ein Problem aufgetan: Die private Finanzierung der Grund-lagenforschung ist weitgehend zum Erliegen gekommen. Um den Reifegrad von Projekten und Ergebnissen zu erhöhen, wer-den daher neue Ansätze in der Forschungsförderung benötigt. Und: Vor allem Durchbruchsinnovationen brauchen neue Modelle des Dialogs – um Gesellschaft, Industrie und Politik frühzeitig bewusst zu machen, wo sich neue Technologien entwickeln und was sie für die Wirtschaft bedeuten. Das ist unerlässlich, wenn die Zukunft weiterhin durch Innovationen gestaltet werden soll.

Neue Erkenntnisse zur Entstehung des Universums zu gewin-nen ist eines der Ziele der Grundlagenforschung am CERN: Wie hat alles angefangen? Und wie hat sich das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall entwickelt? Die Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall können dazu experimentell nachgebildet und untersucht werden – mit Hilfe des Large Hadron Colliders (LHC). Das ist ein riesiger Beschleu-

nigerring mit 27 Kilometer Umfang, in dem sich durch die Kol-lision von fast lichtschnellen Protonen oder Ionen extrem hohe Energien erzeugen lassen. Dabei entstehen neue und bisweilen noch unbekannte Teilchen. So gelang es 2012, erstmals Higgs-Teilchen zu beobachten. Diese Partikel wurden in den 1960er-Jahren theoretisch in das Standardmodell der Teilchenphysik integriert, um zu erklären, wie andere Elementarpartikel zu ihrer Masse kommen. Am CERN konnte nun rund 50 Jahre

später ihre Existenz nachgewiesen werden – in Experimenten bei einer gewaltigen Energie von 7 Billionen Elektronenvolt. Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist ein großer Erfolg und öffnet vielleicht das Tor zur Lösung weiterer offener Fragen der Physik: Wo blieb die Antimaterie im Universum? Was ver-birgt sich hinter der geheimnisvollen Dunklen Materie und der Dunklen Energie, die zusammen rund 95 Prozent der Ener-

giedichte des Universums ausmachen? Detaillierte Messun-gen der Eigenschaften des Higgs-Partikels könnten erste Hin-weise zur Beantwortung dieser Fragen liefern.

Wissen scha� t Wissen scha� t InnovationWissen scha� t InnovationWissen scha� t

VITAVITAProf. Dr. Peter Gruss

Prof. Dr. Rolf-Dieter Heuer

Higgs und High-Tech am Forschungszentrum CERNHiggs und High-Tech am Forschungszentrum CERNHiggs und High-Tech am



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VITAVITA Für viele industrielle Anwendungen werden robuste Fasern mit besonderen Eigenschaften benötigt. Am Institut für Textil-chemie und Chemiefasern in Denkendorf wurde gemeinsam mit Laserforschern der Universität Stuttgart eine Technologie geschaffen, um neuartige Spinnstoffe für die Industrie herzu-stellen: sogenannte Supermikrofasern. Sie zeichnen sich durch

extreme Feinheit aus: Ein einziges Gramm davon ergäbe aus-gerollt einen Strang von 50 Kilometer Länge. Um solche außer-gewöhnlichen Fasern zu produzieren, nutzt man am ITCF die Technik des Nassspinnens, bei der rund 2000 einzelne Fila-mente in einer fl üssigen Cellulose-Lösung gesponnen werden. Dafür ist eine Spinndüse mit zahlreichen winzigen Löchern er-forderlich, die mit höchster Präzision gebohrt werden müssen.

Das gelingt mithilfe eines Lasersystems, das die Stuttgarter Uni-Wissenschaftler eigens entwickelt haben und das exakt symmetrische Löcher mit 25 Mikrometer Durchmesser erzeu-gen kann. Durch eine trickreiche Nachbearbeitung lassen sich die frisch gesponnenen Fasern sogar auf nur noch 2 bis 4 Mikro-meter Dicke ziehen. Die so erzeugten Supermikrofasern zeich-

nen sich durch eine hohe Reißfestigkeit aus. Zugleich sind sie weich wie herkömmliche Textilfasern. Und: Dank einer riesi-gen spezifi schen Oberfl äche eignen sie sich ideal zum Beispiel als Filter für Abwasser oder Schadstoffe aus der Luft.

Prof. Dr. Klaus von Klitzing

Plenarvorträge

1943 geboren in Schroda

1962–1969 Studium der Physik an der TU Braunschweig

1972 Promotion an der Universität Würzburg

1975–1976 Clarendon Laboratory, Oxford

1978 Habilitation an der Universität Würzburg

1979–1980 Hochfeld-Magnetlabor, Grenoble

1980–1984 Professor an der TU München

1985 Honorarprofessor der Universität Stuttgart

seit 1985 Direktor und Wissenschaftliches Mitglied am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

1985 Nobelpreis für Physik

Quantensprung Quantensprung in die NanoweltQuantensprung in die NanoweltQuantensprung

Neue Supermikrofasern auf Basis von Cellulose und Cellulose-Neue Supermikrofasern auf Basis von Cellulose und Cellulose-Neue Supermikrofasern auf 2,5-Acetat mittels Ultrafeinen Basis von Cellulose und Cellulose-2,5-Acetat mittels Ultrafeinen Basis von Cellulose und Cellulose-

Laser-gebohrten Spinndüsen2,5-Acetat mittels Ultrafeinen Laser-gebohrten Spinndüsen2,5-Acetat mittels Ultrafeinen

1967 geboren in Linz

1986–1991 Studium der Chemie an der Universität Innsbruck

1993 Promotion an der Universität Innsbruck

1994–1995 Erwin Schrödinger Stipendiat am Massachusetts Institute of Technology (MIT)

1995–1998 Habilitation an der Universität Innsbruck

1998–2004 Außerordentlicher Professor an der Universität Innsbruck

2000–2001 Gastprofessor an der Technischen Universität Graz

2004–2009 Professor an der Universität Leipzig

2005–2009 Stellvertr. Direktor des Leibniz-Instituts für Oberfl ächenmodifi zierung (IOM), Leipzig

seit 2009 Professor an der Universität Stuttgart

seit 2009 Direktor des Instituts für Textilchemie und Chemiefasern (ITCF), Denkendorf VITAVITAProf. Dr. Michael R. Buchmeiser

Der Quanten-Halleffekt, der 1985 am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung entdeckt wurde, hat bis heute eine enorme Bedeutung. Der Effekt lässt sich in Materialien nachweisen, die eigentlich Isolatoren sind – bei denen aber in einer dünnen Ober-fl ächenschicht ein elektrischer Strom fl ießen kann. Das Faszi-nierende: Der Widerstand dort hat immer denselben fundamen-talen Wert: den Quanten-Hallwiderstand oder von-Klitzing-Widerstand. Dieser lässt sich extrem stabil kalibrieren – und dient daher inzwischen weltweit als Standard für die Mes-sung elektrischer Größen. Das Ohm als Einheit des elektrischen Widerstands lässt sich mithilfe des Quanten-Halleffekts und der für seine Messung erforderlichen Nanoelektronik auf fun-damentale Naturkonstanten zurückführen – eine Vorausset-zung für die in den nächsten Jahren geplante Neudefi nition aller grundlegenden Größen der Physik. Doch die Nanoelek-tronik liefert auch die Grundlage für hochaktuelle physikali-sche Forschungsgebiete – zum Beispiel die Entwicklung eines Quantencomputers, die Herstellung neuartiger Ein-Atom-Tran-sistoren und die Erforschung von Graphen. Von diesem „Wun-dermaterial“ aus Kohlenstoff-Ringen erhofft man sich für die Zukunft zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Elektronik, Sensorik und Optik. Beim Aufspüren der physikali-scher Eigenschaften des Graphens sind die Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung mit führend.



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Kernspintomografen ermöglichen eindrucksvolle Blicke in den menschlichen Körper. In der Medizin sind sie zu unverzicht-baren Instrumenten bei der Diagnose diverser Erkrankungen geworden, zum Beispiel im Gehirn. Das Problem dabei ist je-doch, dass sich der Patient für die Kernspinaufnahme bis zu zehn Minuten lang nicht bewegen darf. Das ist vor allem für Kinder und ältere Menschen eine kaum zu bewältigende Her-ausforderung. In Freiburg wurde daher ein neuartiges System entwickelt, bei dem ein Kernspintomograf für Kopfuntersuchun-gen mit einer optischen Apparatur aus Stereokameras und speziellen Linsen kombiniert wird. Damit lassen sich Bewegun-gen des Patienten präzise verfolgen – und die Magnetfelder im Tomografen in Echtzeit so nachführen, dass die Bewegun-gen neutralisiert werden. Das Ergebnis sind detaillierte Auf-nahmen des Gehirns ohne störende Unschärfe, etwa durch ein spontanes Wackeln oder Nicken des Kopfes. Zentrales Element dieses Systems sind adaptive Linsen, die am IMTEK entwickelt wurden und deren Brennweite durch eine elektrische Span-nung blitzschnell und fast beliebig variiert werden kann. Solche Linsen kommen auch in einem neuen Forschungsprojekt zum Einsatz, bei dem ein Kernspintomograf mit einem Mikroskop gekoppelt wird. Ziel ist es, damit künftig biologische Zellen gleichzeitig im Kernspin und optisch betrachten zu können – und das mit einer extrem hohen Aufl ösung.

Bei der Entwicklung neuer Autos spielen Crashsimulationen eine immer wichtigere Rolle. Sie ersetzen zunehmend die auf-wendigen und teuren realen Crashtests. Herkömmliche Hard-ware-Modelle weichen mehr und mehr virtuellen Mock-ups. Die Experten am Stuttgarter Automotive Simulation Center (ASCS) entwickeln – gemeinsam mit Automobilherstellern und

Softwareunternehmen – die komplexen Werkzeuge für Kolli-sionsversuche im Computer weiter. Dazu nutzen sie den Peta-fl op-Rechner am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart. Ziel ist es, Crashtests künftig ausschließlich virtuell zu verrich-ten. Schon heute lassen sich Unfälle verschiedenster Art bis ins Detail am Rechner nachstellen. Das gesamte Equipment, das für reale Crashtests erforderlich ist, haben die Forscher

am ASCS auch in virtueller Form zur Verfügung. Und die Ent-wicklung geht weiter: Bald wird es sogar möglich sein, das Verhalten der Luft in den Reifen und des Benzins im Tank zu-verlässig zu simulieren. Problematisch ist allerdings bislang die hohe Empfi ndlichkeit der Simulationsergebnisse gegen-über kleinen Änderungen – sowohl an konstruktiven Fein-

heiten des Fahrzeugs als auch im Ablauf der Berechnungen. In einem Projekt der Baden-Württemberg-Stiftung ist es nun gelungen, mögliche Lösungen für dieses Problem herauszu-arbeiten.

1963 geboren in Bochum

1982–1989 Studium der Physik an der Universität Karlsruhe

1989–2003 Institut für Mikrostrukturtechnik des For-schungszentrums Karlsruhe

1992 Promotion an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe

1999 Leitung der Arbeitsgruppe für Mikrooptik

Seit 2003 Professur für Mikroaktorik am Institut für Mikrosystem-technik (IMTEK) der Universität Freiburg

2010 Internal Fellow am Freiburg Institute of Ad-vanced Studies – FRIAS

Rechnern – Status-quo und Crashsimulation auf HPC-Rechnern – Status-quo und Crashsimulation auf HPC-Rechnern – Status-quo und zukünftige HerausforderungenRechnern – Status-quo und zukünftige HerausforderungenRechnern – Status-quo und

Optik für den Optik für den KernspintomographenOptik für den KernspintomographenOptik für den

Plenarvorträge

VITAVITAProf. Dr. Ulrike Wallrabe

VITAVITA 1944 geboren in Hausen am Bussen (Alb-Donau Kreis)

1968–1971 Studium des Stahl- und Leichtbau an der Fachhochschule Ulm

1971–1974 Studium der Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität Stuttgart

1974–1981 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen an der Universität Stuttgart

1981 Promotion zum Dr.-Ing.

1981–2009 Senior Manager bei der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG im Entwicklungs-zentrum Weissach

seit 1992 Honorar-Professor an der Universität Stuttgart

seit 2008 Geschäftsführer des Automotive Simulation Center Stuttgart – asc(s e.V.

Prof. Dr. Erich Schelkle



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Am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik in Kas-sel werden intelligente Fenster auf der Basis von Mikro- und Nanotechnologie entwickelt. Sie sorgen dafür, dass Wohn und Büroräume stets in der richtigen Weise mit Tageslicht ver-sorgt werden. An warmen sonnigen Sommertagen können sie verhindern, dass sich die Räume zu stark aufheizen, indem das

einfallende Sonnenlicht nur dorthin gelenkt wird, wo Menschen es gerade benötigen. Im Winter hingegen helfen die Fenster dabei, die Räume mithilfe des Lichts von außen zu wärmen – ohne dass zugleich Menschen, die dort arbeiten, von dem Tageslicht geblendet werden. Der wesentliche Bestandteil der Fenster sind zahlreiche winzige bewegliche Mikrospiegel, die – für menschliche Augen unsichtbar – zwischen den Scheiben angebracht sind. Durch eine elektrische Spannung lassen sie

sich je nach Bedarf drehen und kippen. Der Energieverbrauch dabei ist sehr gering. Insgesamt tragen die intelligenten Fens-ter vielmehr dazu bei, Energie bei Heizung und Klimatisierung zu sparen. Darüber hinaus bieten sie diverse Anwendungsmög-lichkeiten: zum Beispiel in der medizinischen Lichttherapie, als Blendschutz für Autofahrer, Lokführer und Piloten oder als

Assistenzsystem für ältere Menschen, das automatisch erkennt und Alarm schlägt, wenn diese in der Wohnung stürzen.

1958 geboren in Stuttgart

1978–1985 Studium der Physik an der Universität Stuttgart

1989 Promotion an der Universität Stuttgart

1989–1998 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungsinstitut der Deutschen Telekom

1990–1996 Habilitation an der TU Darmstadt

1991 Gastwissenschaftler bei NTT Optoelectronic Laboratories in Atsugi-shi, Japan

1996–1997 Privatdozent an der TU Darmstadt

1997 Professor für Experimentalphysik an der Universität Kassel

1998 Professor für Technische Elektronik an der Universität Kassel

seit 1999 Leiter des Institutes für Nanostrukturtechnologie und Analytik der Universität Kassel

Potenziale und Chancen der Lichtlenkung – Intelligente Potenziale und Chancen der Lichtlenkung – Intelligente Potenziale und Chancen der Beleuchtung durch NanotechnologieLichtlenkung – Intelligente Beleuchtung durch NanotechnologieLichtlenkung – Intelligente

VITAVITA

Plenarvorträge

Prof. Dr. Hartmut Hillmer


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Posterausstellung: Optische Technologien

2.1Optische Technologien

Die Inspektion spiegelnder Oberfl ächen ist aufgrund ihrer Be-deutung in vielen Bereichen der Produktion weiterhin Gegen-stand aktueller Forschung. Während mit der Defl ektometrie inzwischen ein bewährtes Verfahren für die Messung solcher Oberfl ächen verfügbar ist, sind die anwendungsspezifi sche und zuverlässige Fehlerdetektion und -klassifi kation immer noch herausfordernde Aufgaben.

Ziel dieses Projekts ist es daher, Methoden zur robusten Detek-tion und Klassifi kation von unterschiedlichen Oberfl ächen-defekten zu erarbeiten. Da diese in unterschiedlichen Größen und Ausprägungen auf der Oberfl äche auftreten können, wird dazu ein multiskaliger Ansatz auf der Grundlage der Wavelet-Transformation verfolgt.

Dabei ist es bei a priori unbekannten Oberfl ächen nötig, zwi-schen erwünschter Oberfl ächengestalt und Defekten zu unter-scheiden. Hierzu stellen wir einen Klassifi kationsansatz im Skalenraum der diskreten bzw. stationären Wavelet-Transfor-mation vor. Dazu wurden zwei grundsätzliche Möglichkeiten bei der Wahl eines geeigneten Wavelets betrachtet. Die erste Möglichkeit besteht darin, Standardwavelets zu verwenden, die invariant gegenüber Oberfl ächenkrümmungen sind. Bei der zweiten Möglichkeit wird jeweils ein Wavelet auf die Er-kennung einer Defektklasse optimiert und der Skalenraum mit einer M-Band Wavelet-Transformation aufgespannt. Zur Klas-sifi kation dieser Merkmale zeigen wir zwei Verfahren auf der Grundlage eines Bayes’schen Klassifi kators und einer Support.

Multiskalige Inspektion mittels Defl ektometrie und Wavelet-basierten Verfahren (MID-WAVE)

Jürgen Beyerer1, Thomas Greiner2, Tan-Toan Le2, Matthias Ziebarth1, Dr. Michael Heizmann1 1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Anthropomatik2 Hochschule Pforzheim, Institut für Angewandte Forschung (IAF)

KontaktProf. Dr. Jürgen BeyererLehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Adenauerring 4 •76131 Karlsruhe • [email protected]. Dr. Thomas GreinerHochschule Pforzheim • Fakultät für Technik • Tiefenbronner Straße 65 • 75175 Pforzheim • [email protected]

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Adenauerring 4 •Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Adenauerring 4 •Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Adenauerring 4 •Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Adenauerring 4 •Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik • Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme • Institut für Anthropomatik •

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Polieren als Endbearbeitungsprozess – von der keramischen Laseroptik bis zum Optikelement aus Kunststoff

Polieren ist als Endbearbeitungsprozess immer dann ein not-wendiger Prozessschritt, wenn für die Oberfl äche auf Grund der Spezifi kation des Bauteils minimale Rauigkeiten gefordert sind, das Bauteil glänzen oder spiegeln soll. Im Rahmen der durch die Baden-Württemberg Stiftung geförderten Projekte Sensoform, Nanoplastic und F3-Laseroptik hat sich die For-schungsgruppe am Zentrum für Optische Technologien der Hochschule Aalen mit der Entwicklung neuer, innovativer Prozesse für die Politur von Keramik und Stahloberfl ächen be-schäftigt. In Folgeprojekten wurde dieser Prozess auch auf Kunststoff übertragen. Erreicht wurde mit dem neuen Prozess der robotergestützten Stahlpolitur eine Oberfl ächenqualität, die der von Präzisionsoptik entspricht bei einer gegenüber dem bisherigen Prozess (Diamantdrehen) um den Faktor 10 höhe-ren Standzeit der Werkzeuge. Bei der Keramikbearbeitung konn-te das gesinterte Material direkt bearbeitet werden, ohne die bis dahin erforderliche Oberfl ächenschicht. Neben klassischen Polierwerkzeugen wurde hier das neu entwickelte Fluid-Jet Verfahren einsetzt, welches mit seiner kleinen Werkzeugfunk-tion von 0,5 mm sowohl die Bearbeitung sehr kleiner Optiken als auch zurückgesetzter Funktionsfl ächen ermöglicht. Auf Ba-sis der durch die Baden-Württemberg Stiftung geförderten Projekte konnten weitere Projekte (u. a. BMBF) eingeworben werden, bei denen die Ergebnisse zusammen mit Industrie-partnern weiterentwickelt und in die Firmen transferiert wer-den. Wissenschaftliche Erkenntnisse sind unter anderem die Beschreibung der Stahlpolitur über die Prestongleichung so-wie die Simulation und Verifi kation des thermischen Verhal-tens bei optischen Keramikelementen.

Rainer Börret, Marco Speich, Jonas Mazal, Andreas Kelm, Dominik Wiedemann Hochschule Aalen, Zentrum für Optische Technologien

Um die Vorgänge im Innersten des Laserschweiß-Prozesses verstehen zu können, ist es unabdingbar die Form, die Tiefe und die Dynamik der Kapillare zu kennen.

Zur Vermessung der Laserschweiß-Kapillare entwickelte das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) im Projekt MerLas einen Sensor der mittels Phasenlaufzeitmes-sung in der Lage ist die Tiefe der Kapillare zu messen.

Im Projekt NaproLas wird in diesen Sensor zusätzlich eine kon-fokale Messung integriert. Durch die gleichzeitige Verwen-dung der zwei Messverfahren soll die Vermessung der Kapil-lare deutlich verbessert werden.

Das Institut für Strahlwerkzeuge wird den entwickelten Sen-sor am Prozess erproben und dessen Messwerte mit Hilfe der Röntgentechnik verifi zieren. In einem letzten Schritt werden Regelparameter defi niert und der Versuch unternommen zum Beispiel auf eine bestimmte Tiefe der Kapillare zu regeln.

Eine Anwendung im industriellen Umfeld könnte zum einen in der Qualitätssicherung des Prozesses liegen, indem Para-meter wie die Tiefe und der Neigungswinkel der Kapillare ge-messen und zunächst nur aufgezeichnet werden. Die so ermittelten Werte lassen nach dem Schweißprozess Rück-schlüsse auf die erzeugte Schweißnahtqualität zu.

Die in der zweiten Projektphase angestrebte Regelung des Prozesses auf Basis der online gemessenen Tiefe und Neigung der Kapillare verschaffen dem Laserschweißen vollständig neue Optionen in der Fertigung.

NaproLas – Hybrid-Nahbereichsprofi lometrie zur Vermessung von Laserprozessen

M. Boley1, R. Weber1, T. Graf1, H. Wölfelschneider2, H. Höfl er2

1 Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW), Universität Stuttgart2 Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM)

KontaktProf. Dr. Rainer BörretZentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • [email protected] • www.htw-aalen.de/zot

KontaktDipl.-Ing. Meiko BoleyInstitut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • [email protected] • www.ifsw.uni-stuttgart.deHarald WölfelschneiderOptische Formerfassung • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-161 • Fax +49 (0) 761 8857-224 • [email protected] • www.ipm.fraunhofer.de

Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Zentrum für Optische Technologien • Hochschule Aalen • Anton-Huber-Straße 21 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3482 • Fax +49 (0) 7361 576 3115 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 •

Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 • Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-69760 • Fax +49 (0) 711 685-59760 •

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Hybride Resonatoren und plasmonisch strukturierte GRIN-Linsen als kompakte Sensoren für Einzelpartikel

Im Rahmen dieses Projektes werden optische Hybridsysteme bestehend aus Gradientenoptiken und Erkennungsstrukturen zum ultrasensitiven Nachweis von Parametern in der klini-schen Diagnostik und Kontaminatoren in Lebensmitteln und der Umwelt entwickelt. Dabei sind Methoden notwendig, die vor-Ort-Messungen mit kleinen portablen Geräten ermöglichen.

Die hier vorgestellten Hybridsysteme basieren auf optischen Methoden, welche sich die Eigenschaften von GRIN-(Gradien-ten-Index)-Linsen zunutze machen. In GRIN-Linsen wird die Linsenwirkung durch eine kontinuierliche Brechzahländerung innerhalb der GRIN-Linse hervorgerufen. Dadurch weisen GRIN-Linsen ebene Grenzfl ächen auf.

Um heterogene Immunoassays durchführen zu können, wird die Oberfl äche der GRIN-Linse mit einer spezifi schen Erken-nungsstruktur beschichtet.

Die Anbindung von Analyten ändert den Brechungsindex an der Oberfl äche der GRIN-Linse, was durch eine Verschiebung der Newtonringe in einem Mikroresonator bzw. eine Verschie-bung der Plasmonenresonanz von Nanostrukturen auf der Linse detektiert werden kann. Eine weitere Nachweismethode beruht auf oberfl ächenverstärkter Ramanspektroskopie.

Die Güte der Oberfl äche wird durch Selektivität, Sensitivität, Stabilität und Regenerierbarkeit bestimmt. Demzufolge sind ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, niedrige Nachweis- und Bestimmungsgrenzen und die Möglichkeit, den Sensor in realen Matrices mit dabei möglichst geringen unspezifi schen Wechselwirkungen zu verwenden, gewünscht.


Andreas Horrer2, Michael Metzger1, Sabrina Rau1, Günter Gauglitz1, Monika Fleischer2, Dieter P. Kern2, Alfred J. Meixner1, Günther Proll1, Dai Zhang1 und Marc Brecht1

1 Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie2 Universität Tübingen, Institut für Angewandte Physik

Schnelle Inline-Messtechnik mit Zellularen Neuronalen Netzen für Hochleistungsfertigungsverfahren zur Prozessregelung und Qualitätskontrolle

Bei konventioneller Bildverarbeitung werden heute in der Regel so genannte Single Instruction Single Data (SISD)-Archi-tekturen zur Auswertung eingesetzt. Hier besteht ein Pro-gramm aus einer Reihe von Anweisungen, die nacheinander von einem oder wenigen Prozessorkernen auf einzelne Daten-elemente angewendet werden. Entsprechend lang ist die Aus-führungszeit. Im Gegensatz dazu wird in Single Instruction Multiple Data (SIMD)-Computing-Architekturen jede Programm-anweisung parallel auf eine große Anzahl von Daten ange-wendet. Mit Cellular Neural Networks lassen sich Computing- und Speicherelemente einer SIMD-Architektur direkt in CMOS-Kamerapixel integrieren.

Eine Idee für viele Lösungen – Vielfältige industrielle Inspek-tionsaufgaben, die mit bisher auf dem Markt erhältlichen Bild-verarbeitungssystemen unlösbar waren, sind mit CNN-basier-ten Systemen nun erstmals möglich. So gelang erstmals die bildverarbeitungsbasierte Regelung von Laserschweißprozes-sen mit einer in Echtzeit ausgewerteten Vollbildrate von über 10 kHz (Leibinger Preis 2012, 3. Platz). CNN-basierte Inspek-tions- und Regelungssysteme eröffnen damit ganz neue An-wendungsmöglichkeiten bei der Steuerung und Regelung von Fertigungsprozessen und Qualitätskontrolle insb. bei hohen Prozessgeschwindigkeiten bzw. kurzem Produktionstakt.

Daniel Carl1, Andreas Blug1, Heinrich Höfl er1, Andreas Kailer2, Jan Nekarda3, Thomas Graf4

1 Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg2 Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Freiburg3 Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg4 Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge IFSW

KontaktPD Dr. Marc BrechtInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • Fax +49 (0) 7071 29-5490 • [email protected]

KontaktDr. Daniel CarlFraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 88 57-549 • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 •

Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel. +49 (0) 7071 29-76239 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 88 57-549 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 88 57-549 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 88 57-549 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 88 57-549 • [email protected]

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Laserbasierter Ultraschall für metrologische Anwendungen

Die Erzeugung und Detektion akustischer Phänomene durch ultrakurze Laserimpulse ermöglicht die kohärente, nicht-inva-sive und kontaktfreie Untersuchung verschiedenster Materi-alien und Strukturen vom Mikro- bis in den Nano-Bereich. Der Aufbau eines Hochgeschwindigkeits-Anrege-Abfrage-Systems ermöglicht es, solche Messungen mit kHz-Abtastraten bei einer zeitlichen Aufl ösung unter 50 fs durchzuführen. Damit kön-nen wesentliche Beitrage zur Grundlagenforschung aber auch zur Materialkontrolle geleistet werden. Dies wird anhand der Detektion verborgener Molekülschichten und ortsaufgelösten Schichtdickencharakterisierungen von Spiegeln für das extre-me Ultraviolett mit einer Messgenauigkeit im Sub-nm-Bereich gezeigt. Mit einer fl exiblen Glasfaserkopplung lässt sich das Messsystem auf Untersuchungen in schwieriger Umgebung und großen Flächen übertragen.

Niko Krauß, Felix Noll, Mike Hettich, Christoph Kölbl, Dirk Heinecke, Raphael Gebs, Thomas Dekorsy

Universität Konstanz, Fachbereich Physik und Zentrum für angewandte Photonik

NeuroModal: Die intraoperative Bildgebungsplattform NeuroComrade

Im Rahmen des von der BW-Stiftung geförderten Projektes NeuroModal soll die Integration von zusätzlichen Visualisie-rungstechniken in das von der Arbeitsgruppe bereits entwi-ckelte NeuroComrade-System erforscht werden.

Fluoreszenzdarstellungen eignen sich aufgrund der selektiven Anreicherung geeigneter Fluoreszenzmarker (5-Ala, Hypericin) im Tumor zur besseren Erkennung und Unterscheidung wäh-rend der Operation. Wünschenswert kann dabei eine kombi-nierte Darstellung von Weißlicht- und Fluoreszenzdarstellung sein, bei der die Vorteile beider Verfahren kombiniert werden. Zu diesem Zweck baut NeuroModal auf die intraoperative Visualisierungsplattform NeuroComrade auf, welche als Assis-tenzsystem für die Neurochirurgie umfangreiche Möglichkei-ten zur Visualisierung von medizinischen Bilddaten bereitstellt und eine kombinierte Darstellung von Live-Operationsbild und erweiterter Realitätsdarstellung medizinischer Bilddaten anbietet. Aufgrund der Möglichkeit, mehrere Videoströme gleichzeitig zu erfassen und zu analysieren, kann das System dazu verwendet werden, sämtliche für den Chirurgen nütz-lichen Informationen auf einem einzigen Bildschirm mithilfe einer multimodalen Darstellung zentral bereitzustellen. Durch das ebenfalls integrierte System zur Neuronavigation können während der Operation auch zusätzliche Informationen aus der präoperativen Bildgebung über tiefere, visuell nicht sicht-bare Strukturen wie die Sehbahn oder Sprachregion einge-blendet werden.

Frank Duffner1, Matthias Pfeifl e1, Rainer Ritz2, Susan Noell1, Florian Ebner1, Jakob Marquardt1, Edwin Ostertag3, Sabrina Luckow-Markgraf3, Barbara Boldrini3, Anita Lorenz3, Rudolf Kessler3

1 Universitätsklinikum Tübingen, Klinik für Neurochirurgie2 Universitätsklinikum Marburg, Klinik für Neurochirurgie3 Reutlingen Research Institute, Prozessanalytik und Technologie

KontaktProf. Dr. Thomas DekorsyFachbereich Physik • Universität Konstanz

KontaktProf. Dr. Frank DuffnerKlinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • [email protected]

Fachbereich Physik • Universität KonstanzFachbereich Physik • Universität KonstanzHoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Klinik für Neurochirurgie • Universitätsklinikum Tübingen • Hoppe-Seyler-Straße 3 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2986448 •

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Glioblastome sind die häufi gsten bösartigen Hirntumoren bei Erwachsenen mit einer mittleren Überlebenszeit nach der Diagnose von nur wenigen Monaten. Durch das sternförmige Einwachsen der Tumorzellen in umliegendes Gewebe ist die Abgrenzung zu gesunden Gehirnarealen schwierig und stellt Chirurgen bei der Tumorresektion vor besondere Herausfor-derungen. Ausgehend von Humanzellen eines explantierten Glioblastoms (U 251 MG) wurde ein Tumor-Zellmodell entwi-ckelt, welches verschiedene Malignitäten simuliert durch die kontrollierte Expression der Tumorsuppressor-Proteine PTEN und TP53.

Die Zellen aus den Zelllinien unterschiedlicher Malignität wer-den auf Objektträgern kultiviert und anschließend einer Para-formaldehyd-Fixierung unterzogen. In den Zellkernen werden UV / VIS und IR Spektren aufgenommen. Um die verschiede-nen Zelllinien voneinander zu unterscheiden, wird eine Haupt-komponentenanalyse durchgeführt (PCA). Die PCA differen-ziert die Tumor-Zelllinien nach ihrer Malignität. Die Unterschei-dung nach Malignität gelingt sowohl mit der UV / VIS Spek-troskopie als auch mit der IR Spektroskopie und demonstriert damit die grundsätzliche Machbarkeit mit optisch spektros-kopischen Verfahren ohne die Notwendigkeit der Anfärbung der Proben. Die spezifi sche Detektion unterschiedlich malig-ner Zellen könnte zu einer erheblich verbesserten Diagnostik und einer präziseren Therapie am Patienten führen.


NeuroModal: Multimodalspektroskopie mit multivariater Datenanalyse für die Charakterisierung hirneigener Tumoren

Edwin Ostertag1, Barbara Boldrini1, Sabrina Luckow-Markgraf1, Anita Lorenz1, Matthias Pfeifl e2, Susan Noell2, Florian Ebner2, Jakob Marquardt2, Reiner Ritz3, Rudolf W. Kessler1, Frank Duffner2

1 Hochschule Reutlingen, Reutlingen Research Institute, Prozessanalytik und Technologie2 Universitätsklinikum Tübingen, Klinik für Neurochirurgie 3 Universitätsklinikum Marburg, Klinik für Neurochirurgie

FASOR – FASerOptischer Resonator als Wellenlängenreferenz für LASER

Florian Karlewski, Markus Mack, József Fortágh

Eberhard Karls Universität Tübingen, Physikalisches Institut

Optische Resonatoren werden seit langem als Wellenlängen-referenzen für Laser eingesetzt. Um Drifts zu vermeiden wer-den diese mit aufwendigen Vakuumkammern und Tempera-turregelungen stabilisiert. In unserem Ansatz regeln wir Faser-resonatoren auf stabile Radiofrequenzreferenzen. Durch die Fasertechnologie ist die Handhabung einfach und die hohe Stabilität der Radiofrequenzreferenzen wird auf optische Fre-quenzen übertragen. Der Faserresonator ist im Vergleich zu Freistrahlinterferometern sehr robust gegen Störungen. Auf unserem Poster präsentieren wir das Messprinzip und erste Messungen.

KontaktProf. Dr. Rudolf KesslerReutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • [email protected]

KontaktProf. Dr. József FortághPhysikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29 76305 • [email protected] • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 •

Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen Research Insitute • Prozessanalytik und Technologie • Hochschule Reutlingen • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29 76305 • [email protected] Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29 76305 • [email protected]

Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29 76305 • [email protected] Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29 76305 • [email protected] Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 • Physikalisches Institut • Eberhard Karls Universität • Auf der Morgenstelle 14 •

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Plasmonic nanostructures are characterized by a strong enhancement of the optical fi eld, leading to large nonline-ar effects, such as the generation of higher harmonics of an incident light fi eld. It is therefore particularly intriguing to combine these nanostructures with nonlinear dielectric materials in order to create highly effi cient nanoscale sources of second or third harmonic light. Here, for the fi rst time we report the combination of LiNbO3 nanocrystals with plas-monic nanoantennas.

In order to analyze the properties of the combined system it is imperative to understand the individual components. As a fi rst step we therefore demonstrate the high-yield synthesis of LiNbO3 nanoparticles. The particles exhibit a signifi cant second harmonic response when illuminated with high power nanosecond laser pulses. Furthermore, we show a strong second and third harmonic response from complex plasmonic nanoantennas. We fi nd that for a large range of different geo-metries the nonlinear spectral properties are fully determined by the linear response of the antenna. We fi nd excellent agree-ment between the measured spectra and pre-dictions from a simple nonlinear oscillator model.

In utilizing the detailed knowledge of our individual building blocks we create hybrid metal-dielectric nanoantennas which show strong second and third harmonic generation. The sig-nal for the bare nanocrystals is amplifi ed by the tailored local near-fi eld of the metallic nanostructures.


Nonlinear Plasmonics

Bastian Knabe 1, Karsten Buse 1, Bernd Metzger2, Mario Hentschel2, Harald Giessen2

1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM), Freiburg

2 Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut und Research Center SCoPE

Design of a hybrid miniaturized zoom imaging system

There is an increasing interest in technologies enabling high resolution imaging for endoscopy of internal organs. For ex-ample, in many endoscopic applications it is essential to com-bine white light endoscopy with subsurface imaging. With the latter technique, the user can perform optical biopsy in real-time, which signifi cantly improves diagnostic accuracy and also avoids extracting samples of tissue.

We have developed a concept for a MEMS-based hybrid endo-scopic imaging system, which combines zoom imaging with optical coherence tomography (OCT). While the zoom optics can deliver images at variable magnifi cations, OCT allows subsurface analysis of tissue.

The opto-mechanical design is based on a modular silicon op-tical bench technology, which allows us to realize an optical system with a diameter below 2.6 mm. As core optical elements we use tunable membrane lenses to build a variable zoom without any moving parts. A fi ber bundle transfers the image to the external part of the probe, from where it is further re-layed to a CCD. At the same time the fi ber is used to transfer an OCT signal, which provides tomographic information.

The dynamic behavior of the tunable lenses is numerically modeled by a fi nite element simulation, and fully implemen-ted in raytracing software. This allowed an optimization of the system not only in terms of imaging quality, but also to achieve a maximum zoom and working range while minimiz-ing the overall dimensions.

Simon Thiele1, Marc Blattmann2, Hans Zappe2, Andreas Seifert2, Alois Herkommer1

1 Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik, Stuttgart Research Center of Photonic Engineering (SCoPE)2 Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK

KontaktProf. Dr. Karsten BuseFraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected]. Dr. Harald GiessenPhysikalisches Institut und Research Center SCoPE • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70550 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68565111 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Alois HerkommerInstitut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected]. Andreas SeifertInstitut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Gisela-und-Erwin-Sick-Professur für Mikrooptik • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 0761 203-7518 • [email protected]

Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 0711 685-69871 • [email protected]

79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected] für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857111 • [email protected]

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Im Rahmen des Projekts Synthetic Lambda wurde ein neuar-tiges optisches System zur Entfernungsmessung durch die Kombination optischer Phasenlaufzeittechnik mit digitaler Holographie entwickelt. Eine absolute Kalibration der Mess-ergebnisse wird unter Verwendung elektrooptisch erzeugter Seitenbänder gewährleistet. Die Phasenlaufzeitmessung er-möglicht Distanzmessungen im Bereich von Metern mit Genau-igkeiten von rund 5 mm, während mit Methoden der digitalen Mehrwellenholographie Messaufl ösungen im µm-Bereich er-zielt werden. Als Lichtquellen werden vier hochstabile whis-pering-gallery-mode-Laser eingesetzt. Die Wellenlängendif-ferenzen zwischen den Lasern (ca. 360 GHz) werden dadurch absolut kalibriert, dass elektrooptisch Schwebungssignale zwi-schen den Lasern erzeugt werden und diese elektronisch de-tektiert werden.


Hochgenaue und absolut-kalibrierte Distanzmessung durch Kombination von Laser-Phasenlaufzeitverfahren mit digitaler Holographie Marker Free Karyotyping by Hyperspectral Imaging of Chromosomes

In cytogenetics the specifi c structure of chromosomes is rou-tinely identifi ed by expensive and time consuming staining techniques like GTG (G- banding by trypsin using Giemsa) banding or FISH (Fluorescence in situ hybridisation). In both cases a broad expert knowledge is necessary to understand and diagnose complex diseases and particularly to visualize small structural aberrations. We have made efforts to sub-stitute with the state of the art karyotyping technique with a fast low-cost and automatic label-free karyotyping proce-dure using absorption and stray light spectroscopy in the UV-VIS range combined with classical light microscopy. With this technique we visualize the stray light interference pattern of unstained chromosomes resulting from small variations in size, thickness, refractive index and fi eld of chromatin conden-sation of chromosomal substructures on the nanoscale. The spatial pixel resolution can be as small as 50 nm. Although the spatial location is limited to the diffraction limit of light mi-croscopy, the obtained substructures remain in the spectra and can even be optically resolved using Scanning Near-Field Mi-croscopy (SNOM).

The complex spectral signature can be analyzed by means of Multivariate Curve Resolution (MCR) or Principal Component Analysis (PCA) which is now integrated our scanning software. The unique banding pattern of unstained chromosomes can be visualized in a novel high resolution karyogram resulting from the spectral data analysis.

Markus Fratz1, Claudius Weimann2, Harald Wölfelschneider1, Christian Koos2, Heinrich Höfl er1

1 Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, Freiburg2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Photonik und Quantenelektronik IPQ

Sabrina Luckow-Markgraf, Anita Lorenz, Karsten Rebner, Rudolf W. Kessler

Reutlingen University, Reutlingen Research Institute, Process Analysis and Technology

KontaktDr.-Ing. Markus FratzFraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected]. Dr. Christian KoosKarlsruher Institut für Technologie, Institut für Photonik und Quantenelek-tronik • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608-42491 • [email protected]

KontaktProf. Dr. R.W. KesslerReutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • [email protected] • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected]

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected] für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM • Heidenhofstraße 8 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 8857-178 • [email protected]

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Tiefenaufgelöste Fluoreszenzdetektion für die medizinische Diagnostik

Das Ziel des Projekts FluoTis ist die Simulation und der Aufbau eines neuartigen Mikroskops zur tiefenaufgelösten Fluores-zenzlichtdetektion mit hoher axialer Reichweite für technische und biologische Proben mit starker Streuung. Dabei wird durch Kollimation einer Weißlichtlaserquelle, Strahlaufteilung und Strahlzusammenführung ein Weißlicht-Korrelogramm erzeugt, das die Probe ähnlich wie bei OCT in bestimmten Bereichen stärker beleuchtet. Das entstehende Korrelogramm ist axial ausgedehnt und dort maximal, wo die Weglängen der beiden Pfade übereinstimmen. Die Position der angeregten fl uores-zierenden Zentren kann anschließend auf einer feinen Skala bestimmt werden.

Für die tatsächliche Anregung der Fluorophore im Volumen muss berücksichtigt werden, wie einzelne Teilstrahlen der oben beschriebenen Beleuchtung in das Gewebe eindringen und sich überlagern. Außerdem können die Teilstrahlen selbst im Gewebe gestreut werden. Für die Simulation wurde deshalb ein Monte-Carlo-Algorithmus implementiert, der Licht vorerst monochromatisch und inkohärent betrachtet. Dabei zeigt sich, dass eine Verkippung der Probe einen positiven Effekt auf die Eindringtiefe der Probe hat. Außerdem wurde untersucht, wie sich ein isotrop strahlender Fluorophor in einem stark streuen-den Medium in einer Tiefe von 1 mm verhält. Dabei zeigte sich, dass nur ein kleiner Teil des Streulichts (ca. 1,5 %) detektiert wer-den kann. Der größte Anteil des Fluoreszenzlichts erreicht den Detektor dabei ungestreut (ballistisch).

Visualizing Cellular Microstructure by Light Scattering Microscopy

Light scattering microscopy is suggested to provide some in-sight into cell architecture and to give information on cell malig-nancy or morphological changes. In particular, angularly and spectrally resolved scattering provides valuable information about the microstructure of cells and their organelles (e.g. nuclear diameter), tissue architecture as well as changes related to necrosis or apoptosis. Since commonly used methods for measurements of elastic light scattering do not permit simul-taneous visualization of sub-cellular structures, conventional microscopes were modifi ed for scattering experiments with high spatial, angular or spectral resolution. Following cali-bration with well defi ned beads and micro-structures, prelim-inary experimental results indicate that elastic light scattering can be related to changes in cell morphology upon apoptosis and may further be helpful to distinguish various (e.g. malig-nant and non-malignant) cell types in 2D or 3D cell cultures.

Verena Richter1, Thomas Rothe2, Florian Voit2, Alwin Kienle2, Herbert Schneckenburger1,2

1 Hochschule Aalen, Institut für Angewandte Forschung2 Universität Ulm, Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM)

P. Schau1, A. Brandes2, K. Frenner1, J. Schäfer2, A. Kienle2, W. Osten1

1 Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik2 Universität Ulm, Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik

KontaktProf. Dr. Wolfgang OstenITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • [email protected]. Dr. Alwin KienleILM • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel. +49 (0) 731 1429-224 • [email protected]

KontaktDipl.-Ing. (FH) Verena RichterInstitut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected]. Dr. Herbert SchneckenburgerInstitut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763401 • [email protected]

73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected] für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763415 • [email protected]

ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 • ITO • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel. +49 (0) 711 685-66074 •

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Characterization of Polymer Nanocomposites using Optical Coherence Tomography – ChaPlyN

Nano-scale additives in polymer composites enable tailoring material properties and additional functionalities and are therefore very attractive for a wide range of applications. Dis-persion quality as well as the size and shape of the nanopar-ticles play an important role for the properties of the compo-sites. However, industrial deployment of nanocomposites is still impeded by the lack of stable fabrication processes and the associated metrology. In particular, characterization of dispersion quality still relies on expensive high-resolution microscopy that is not suited for industrial process control.

ChaPlyN addresses this problem by using polarization-sensi-tive optical coherence tomography (PS-OCT) for sample charac-terization. OCT is a 3D optical imaging technique featuring microscopic resolution and large penetration depth into scat-tering media. Micrometre-scale agglomerates are character-ized directly by image processing. For nanoparticles and small agglomerates we exploit the fact that scattering of the in-cident laser light depends on the size of the particles. Size in-formation can hence be extracted from the decay of depth-dependent backscattering. Moreover, polarization-resolved measurements reveal shape parameters: Non-spherical par-ticles change the polarization of the incident light when back-scattering, while nanospheres do not. The concept has been demonstrated by proof-of-principle experiments using layered-silicate nanoparticles and polystyrene spheres in water.

Christian Koos1, Simon Schneider1, Christof Hübner2, Irma Mikonsaari2

1 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ)2 Fraunhofer Institute for Chemical Technology (ICT)

Hot Rydberg atoms for quantum optics

Hochangeregte Rydbergatome mit ihren sehr schwachgebun-denen Elektronen reagieren extrem empfi ndlich auf kleinste Störungen in ihrer Umgebung. Das können zum Beispiel elek-trische Felder, Mikrowellenstrahlung oder eben auch andere Rydbergatome sein. Befi nden sich zum Beispiel zwei Rydberg-atome sehr nahe beeinander, typischerweise im Abstand eini-ger Mikrometer, so beeinfl usst die Wechselwirkung zwischen den beiden Atomen ihre Energieniveaus und damit die Reak-tion auf Laserstrahlung. Durch geschickte Wahl der physikali-schen Umgebung kann man in einem Gas aus Rydbergatomen eine Wechselwirkung zwischen zwei Lichtfeldern verwirklichen. Die daraus resultierenden optischen Nichtlinearitäten sind von fundamentalem Nutzen für alle möglichen Anwendungen in der Quantenoptik und der Quantenkommunikation.

Bernhard Huber, Andreas Kölle, Harald Kübler, Georg Epple, Kathrin Kleinbach, Alban Urvoy, Fabian Ripka, Renate Daschner, Robert Löw, Tilman Pfau

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut

KontaktProf. Dr. Christian KoosInstitute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • [email protected] (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 • Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Engesserstraße 5 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 42491 •

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Lasermaterialbearbeitung des Verbundwerkstoffes Hohlkugelstrukturen: Experimente und numerische Simulation

Ziel des Vorhabens ist es, für einen besonderen Verbundwerk-stoff, die Hohlkugelstrukturen (HKS), geeignete Verfahren zum Trennen, Bohren und Fügen mittels Laser zu entwickeln. Metallische Hohlkugelstrukturen gehören zur Gruppe der zellularen Werkstoffe. Durch die defi nierte Zellgeometrie und dem damit möglichen reproduzierbaren strukturellen Auf-bau ergeben sich aus Anwendersicht deutlich geringere Schwan-kungen der makroskopischen Materialeigenschaften als bei Metallschäumen. Die Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung müssen abgestimmt sein auf strukturrelevante Einfl ussgrö-ßen des Verbundwerkstoffes, wie Matrix- und Kugelwerkstoff, Kugelgeometrie (Durchmesser, Schalendicke) und makrosko-pische Geometrieabmessungen der zu bearbeitenden Bauteile. Beim Laserschneiden liegt die Herausforderung in einem grat-freien Schnitt für ein breites Spektrum der HKS. Beim Laser-schweißen soll eine Hohlkugelstruktur mit Blech verbunden werden, wobei die Kontakte der Hohlkugeln zum Blech als Pro-zessstellen dienen. Diese Technik dient als Grundlage, um Hohl-kugelstrukturen zu ummanteln, einzuhüllen oder als Kernma-terial in einer Sandwichstruktur einzusetzen. Strukturgebende Verbindungen des Verbundwerkstoffs dürfen dabei in der Nähe der neu entstehenden Grenzschicht nicht geschädigt sein. Mit-tels numerischer Simulation der Bearbeitungsverfahren werden optimale Prozessparameter defi niert.

Markus Merkel1, Harald Riegel2, Jörg Fruhstuck2, Rolf Winkler1

1 Hochschule Aalen, Zentrum für virtuelle Produktentwicklung2 Hochschule Aalen, Laserapplikationszentrum

Multiskalige Molekulare Bildgebung (MMB)

Im Projekt „Multiskalige molekulare Bildgebung (MMB)“ wird ein neuartiger Ansatz zur raschen reagensfreien, molekülspe-zifi schen Bildgebung verfolgt, der sich aus der Kombination der Infrarotlaserspektroskopie und Ramanspektroskopie auf unterschiedlichen räumlichen Skalen ergibt. Zum derzeitigen Projektstand wurde der multiskalige Mikroskopaufbau entwor-fen und implementiert sowie – bislang vorwiegend in Bezug auf die Infrarotbildgebung – charakterisiert. Die Verwendung eines im Wellenlängenbereich 6,94 µm bis 8,77 µm durch-stimmbaren, gepulsten Quantenkaskadenlasers als Infrarot-Beleuchtungseinheit in Kombination mit einem Infrarotsensor-array mit 640 x 480 Bildpunkten erlaubt hierbei eine beson-ders rasche, spektral aufgelöste Bildgebung. Akquisitionszeiten unterhalb von 10 Minuten pro hyperspektralem Infrarotbild wurden demonstriert und Zeiten unterhalb einer Minute sind derzeit anvisiert. Die spektrale Aufl ösung liegt bei ungefähr 1 µm. Im großfl ächigen Bildformat 16 x 12 mm2 wurde im infra-roten Spektralbereich eine optische Aufl ösung von 28 µm er-reicht, beim mittleren Bildausschnitt von 4 x 3 mm2 eine opti-sche Aufl ösung von 14 µm. Erste Messungen von Gewebs-schnitten wurden durchgeführt. Es ist beabsichtigt, in mittels Infrarotspektroskopie vorselektierten, kleinfl ächigen Berei-chen die räumlich deutlich höher aufl ösende Ramanspektros-kopie anzuwenden.

Niels Kröger1, Alexander Egl1, Norbert Gretz2, Iris Herpich1, Anton Hasenkampf1, Katharina Haase1, Maria Engel1, Sabine Neudecker2, Annemarie Pucci1, Wolfgang Petrich1

1 Universität Heidelberg, Kirchhoff-Institut für Physik 2 Universität Heidelberg, Zentrum für Medizinische Forschung, Mannheim

KontaktProf. Dr. Markus MerkelZentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Wolfgang Petrich Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • [email protected]

straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected] für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected] für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected] für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]ße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected] für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-Zentrum für virtuelle Produktentwicklung • Hochschule Aalen • Beethoven-straße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576-2133 • [email protected]

Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Kirchhoff-Institut für Physik • Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 227 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 549893 •

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Automatisierte multiskalige Prüftechnik für die Inspektion technischer Oberfl ächen

Moderne Fertigungsprozesse verlangen immer mehr fl exible, präzise und schnelle Inspektionssysteme, um den geforderten Qualitätsansprüchen gerecht zu werden. Normalerweise müs-sen jedoch bei technischen Objekten mit komplexen Oberfl ä-chenstrukturen unterschiedlichste Eigenschaften an diversen Teilbereichen der Gesamtoberfl äche verifi ziert werden. Bei Zahn-rädern kann es dabei beispielsweise erforderlich sein, die Kopf-kanten auf diverse Defekte hin zu untersuchen, während im Be-reich der Flanken Formabweichungen ermittelt werden müssen.

Die Durchführung derartiger vielseitiger Inspektionsaufgaben kann durch ein fl exibles multi-sensorielles Inspektionssystem realisiert werden. Dieses besteht zum einen aus einer mehrach-sigen Aktorik, die das Prüfobjekt hochgenau verschieben und drehen kann, als auch aus unterschiedlichen optischen Senso-ren. Somit kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Teilauf-gabe ein optimaler Sensor zusammen mit angepassten Para-metersätzen eingesetzt werden. Der Benutzer wird bei der Auswahl der Sensoren und ihrer idealen Positionierung von diversen Assistenzsystemen unterstützt. Der gesamte Ins-pektionsprozess ist anhand eines Polygonmodells des Mess-objekts defi niert, wobei unterschiedliche Teilregionen mit den jeweiligen Spezifi kationen verknüpft sind, die im Rahmen der Inspektion verifi ziert werden müssen.

Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes wer-den die Methoden für ein fl exibles Inspektionssystem unter-sucht und ein entsprechender Demonstrator wird aufgebaut.

Marc Gronle1, Alexander Keck2, Michael Böhm2, Wolfram Lyda1, Oliver Sawodny2, Wolfgang Osten1

1 Universität Stuttgart, Institut für Technische Optik2 Universität Stuttgart, Institut für Systemdynamik

KontaktMarc GronleInstitut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] KeckInstitut für Systemdynamik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65927 • [email protected]

70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected] für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • Institut für Technische Optik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 9 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 69888 • [email protected]

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Label-free characterization of mesenchymal stem cells (MSCs) and their differentiation using Raman spectroscopy

MSCs have the potential to differentiate in vitro into adipo-cytes, chondrocytes and osteoblasts and are therefore a poten-tial cell source for tissue engineering and regenerative medi-cine. Raman spectroscopy is a non-invasive tool that enables biochemical characterization of living single cells. Spectral shifts can be used as markers to discriminate undifferentiated cells from their differentiated progeny. In this project, MSCs differentiating into the osteogenic, adipogenic and chondro-genic lineage were characterized using Raman spectroscopy. Raman spectra of MSCs differentiated towards osteoblasts showed an increased Raman signal at 960 cm-1, that could be assigned to hydroxyapatite, a bone-specifi c mineral. MSCs differentiated towards adipocytes build up intracellular lipid vesicles. Raman spectra of adipocytes exhibited several peak shifts, when compared to undifferentiated MSCs. Raman spectra of MSCs differentiated into the chondrogenic lineage showed a high donor-variability. However, Raman spectra of each do-nor displayed altered signals at various wavenumbers, when comparing to their undifferentiated counterparts. Raman spec-troscopy identifi ed lineage-specifi c molecular patterns for MSCs differentiating towards osteoblasts, adipocytes and chon-drocytes. Raman spectroscopy is a potential non-invasive tool for monitoring and characterizing differentiating MSCs.

Eva Brauchle1,2, Daniel Carvajal-Berrio2, Katja Schenke-Layland2

1 Universität Stuttgart, Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP2 Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart

A FRET-based molecular-mechanical sensor to measure nanoscopic fl ow with high sensitivity

Molecular mechanics translate macroscopic effects to a molec-ular scale, using distinct mechanical properties of a molecu-lar structure. By this, the interaction of matter can be moni-tored with outstanding spatial resolution on a nanoscopic scale. We present the application of molecular mechanics to measure shear forces due to dynamic pressures and streams at surfaces using a bionic approach. Our system monitors the defl ection of a short DNA strand in response to an external molecular fl ow, based on a fl uorescence resonance energy transfer as read-out. This way, quenching or temperature effects can be excluded, and the working range of the system can easily be fi ne-tuned to match diverse shear forces and dynamic pressures.

Daniel Basler2, Wolfgang Leis3, Bernd Görlach4, R. Martin Kemmler2, Alfred J. Meixner2, Sven zur Oven-Krockhaus1,2, Frank Schleifenbaum1,2

1 University of Tübingen, Center for Plant Molecular Biology, Biophysical Chemistry2 University of Tübingen, Institute for Physical and Theoretical Chemistry3 University of Tübingen, Institute for Inorganic Chemistry4 University of Tübingen, Institute for Organic Chemistry

KontaktEva Brauchle, M.Sc.Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970 4103 • [email protected]

KontaktPD Dr. Frank SchleifenbaumInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • Tel +49 (0) 7071 76222 • 72076 Tübingen •

c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • Institut für Grenzfl ächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie IGVP • c/o Fraunhofer-Institut für Grenzfl ächen- und Bioverfahrenstechnik IGB •

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A Light Sheet Module for 3D Fluorescence Microscopy and Nanosecond Ratio Imaging of Tumour Cell Spheroids

Light sheet or single plane illumination microscopy (SPIM) represents a 3D method of low light exposure permitting long observation times and maintaining cell viability. Here, a light sheet module is adapted to a conventional inverse microscope, permitting high fl exibility and combination with further mi-croscopic techniques, e.g. transillumination, LSM, spectral imag-ing or fl uorescence lifetime imaging (FLIM). In addition, a mod-ule for nanosecond ratio imaging is described, which opens up new possibilities for simultaneous detection of fl uores-cence signals of identical emission, but different excitation spectra. In that context, the technique can be used for mea-surements of intracellular redox states (using e.g. an intrinsic glutathione sensitive redox sensor) and for studies concern-ing apoptosis or necrosis. Combination with a microfl uidic system permits easy application of nutrients, fl uorescent dyes, metabolites or drugs, e.g. in pharmaceutical test systems. The present technique is adapted to 3D cell spheroids incu-bated with a fl uorescent dye or a chemotherapeutic drug.

Sarah Schickinger1, Thomas Bruns1, Michael Wagner1, Rainer Wittig2, Herbert Schneckenburger1,2

1 Hochschule Aalen, Institut für Angewandte Forschung2 Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik an der Universität Ulm

Growth of GaN micro- and nanostructures for sensor applications

Currently, III-nitrides fi nd strong interest in optoelectronic applications like light emitting diodes in the UV and visible. Micro- and nano-structures based on these material systems are also promising candidates for optical gas sensing. Such de-vices could benefi t from a large surface-to-volume ratio, but also from the easier device fabrication required for optical read-out.

The sensing mechanism is based on the near-surface induced band bending by the adsorption of gas molecules. Corre-sponding changes in the photoluminescence can be used as a sensing signal. In this work, we present position-controlled Ga(In)N nanostructures for optical gas sensing using multiple growth steps.

First, hexagonally arranged GaN pyramids are realized with selective area metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) on pre-patterned templates. Subsequently, ZnO nanowires are selectively grown on top of these pyramids using chemical vapor deposition. Finally, the nanowires are overgrown with coaxial Ga(In)N, which allows to optimize the structural prop-erties, e.g. for a high surface-to-volume ratio.

Spatially and spectrally resolved low temperature cathodo-luminescence spectroscopy allows a detailed investigation of the optical properties of the structures. First gas sensing experiments have been performed in hydrogen and argon ambients using a modifi ed micro-photoluminescence (µ-PL) setup, and the effect of evaporated Pt as a catalyst has been investigated showing a change in the PL intensity.

Dominik Heinz1, Mohamed Fikry1, Manfred Madel2, Sebastian Bauer2, Florian Huber2, Tobias Meisch1, Matthias Hocker2, Ingo Tischer2, Manuel Frey2, Benjamin Neuschl2, Klaus Thonke2, and Ferdinand Scholz1

1 Ulm University, Institute of Optoelectronics2 Ulm University, Institute of Quantum Matter

KontaktDipl.-Ing. (FH) Sarah Schickinger MSc.Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] Prof. Dr. Herbert Schneckenburger Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 5763401 • [email protected]

KontaktDominik HeinzInstitute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected] of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • Institute of Optoelectronics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 5026453 • [email protected]

73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected] Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • Institut für Angewandte Forschung • Hochschule Aalen • Beethovenstraße 1 • 73430 Aalen • Tel +49 (0) 7361 576 3415 • [email protected]

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ZnO nanowire sensors for gases and organic molecules

Nanostructures are very promising candidates for sensing applications due to their very high surface to volume ratio. So far, most sensor concepts are based on electrical readout, mostly via FET structures with sensitized gate.

In this project we investigate the feasibility of the optical read-out in a micro-photoluminescence setup of ZnO nanowires for gas sensing. This way, the time-consuming fabrication of electrical contacts can be eliminated.

The ZnO nanowires with average diameter of 50 nm and length up to 10 µm were grown by chemical vapour deposition. Com-pared to ZnO layers, the nanowires show a strongly enhanced sensing behaviour for different gases, and especially for the detection of oxygen. Further improvement for the sensing prop-erties could be achieved by attaching different surface catalysts such as Ag, Pt or Pd.

By submerging the nanowires in water, or by attaching differ-ent organic molecules, the emission spectrum detected in low temperature photoluminescence measurements shows char-acteristic changes, which makes the ZnO nanowires promising candidates also for bio-sensing applications by optical readout, e.g. for the detection of specifi c proteins.

Manfred Madel1, Julian Jakob1, Simon Berke1, Benjamin Neuschl1, Martin Dickel1, Florian Huber1, Matthias Hocker1, Ingo Tischer1, Mohamed Fikry2, Dominik Heinz2, Ferdinand Scholz2, Klaus Thonke1

1 Universität Ulm, Institut für Quantenmaterie2 Universität Ulm, Institut für Optoelektronik

Ein bildgebendes Echtzeit-Analyse-System auf Basis hochperformanter Hardware-Architekturen

In general, for high-speed cameras, long observation time period and a high frame rate are contradictory as their inte-grated memory is limited. It has been our main objective to develop a real-time analysis system to avoid this drawback. This real-time analysis system allows a real-time online anal-ysis of the content of the images taken. It can extract object features like the size, the position and the velocity of moving objects in real-time for 1,000 to 10,000 images or frames per second. This real-time analysis system reduces the amount of data stored for archiving and makes the recording time for high-speed processes unbounded. The system is based on a reconfi gurable embedded system for online image proces-sing and measurement. This reconfi gurable embedded sys-tem consists of a high-speed image sensor for capturing the object images and a Field Programmable Gate Array (FPGA) that provides the necessary high computing performance for processing the obtained image data.

Silvia Ahmed, Michael Klaiber, Wenbin Li, Sven Simon

University of Stuttgart, Institute of Parallel and Distributed Systems

KontaktApl. Prof. Dr. Klaus ThonkeInstitut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected]. Dr. Ferdinand ScholzInstitut für Optoelektronik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26052 • [email protected]

KontaktProf. Dr.-Ing. Sven Simon Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 88450 • [email protected](IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems Department of Parallel Systems • Institute of Parallel and Distributed Systems (IPVS) • University of Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected]

Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 26131 • [email protected] für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 • Institut für Quantenmaterie • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 45 •

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Verformung von Mikrosystemen bei hohen Temperaturen

Zur Prozessüberwachung in Industrie, Flugzeug- und Automo-biltechnik werden hochtemperaturtaugliche Mikrosysteme benötigt. Mikrosysteme aus Siliciumcarbid könnten bei bis zu 500°C operieren. Ihr Einsatz scheitert an einer gleichermaßen belastbaren und zuverlässigen Aufbau- und Verbindungstech-nik.

Am IMTEK wurden valide Methoden entwickelt, um Mikrosys-teme für Temperaturen über 500°C zuverlässig zu integrieren. Neben der iterativen Optimierung mit Werkzeugen der Simu-lation bedarf es hierfür immer des fi nalen Nachweises durch das Experiment. Die Erfassung der realen Verformung des win-zigen experimentellen Aufbaus ist bei diesen Temperaturen eine Herausforderung.

Hierfür wurden präzise rückwirkungsfreie Messverfahren ge-zeigt. Eingesetzt wird die ESPI-Methode. Trotz hinreichender Aufl ösung sind die für ein vollständiges Abbild erforderlichen Mehrfachaufnahmen bei hohen Temperaturgradienten (50 K/s) nachteilig. Mit der Grauwertkorrelation wurde dieser Nachteil beseitigt. Durch ihr hohes zeitliches Aufl ösungsvermögen er-laubt sie die Verformungsmessung auch bei großen Gradien-ten bei gleichzeitig höherer Messunsicherheit (ca. 1 µm). Die Verfahren wurden durch spezielle Vakuumkammern erwei-tert, wodurch störende Luftströmungen über der heißen Pro-benoberfl äche vermieden werden.

Das Prinzip wurde anhand einer hochtemperaturfesten Test-struktur bei 500°C demonstriert. Das genaue zeitliche und räumliche Verformungsverhalten der Aufbauten kann durch Messungen mit beiden Verfahren erfasst werden.

K. Hanka, M. Steiert, M. Berndt, R. Zeiser

Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)

Produktionsumfeldgerechtes, multifokales Messsystem für kombinierte, schnelle Erfassung von Topographie und lokaler Mikro- und Nanostruktur

Bei der Prozesskontrolle werden die Messaufgaben immer kom-plexer und umfangreicher. So interessieren nicht nur die mak-roskopischen Größen, sondern auch Mikro- und Nanostrukturen der verarbeiteten Werkstoffe. Zielsetzung des geplanten Vor-habens ist deshalb die Entwicklung eines multiskaligen opti-schen Messsystems, mit dem gleichzeitig die Topographie der Oberfl äche gemessen und eine Mikro- und Nanostruktur-analyse der Oberfl äche durchgeführt werden kann.

Grundlage des geplanten Systems ist ein multifokales Topo-graphiemesssystem auf der Basis der chromatisch kodierten, konfokalen Abstandsmessung. Dabei wird über das Spektrum des von jedem Messpunkt remittierten Lichts der Abstand vom Objektiv und somit die 3D-Kontur ermittelt. Über eine wei-tere Analyse des aus jedem Messpunkt remittierten Lichts sollen zusätzlich Informationen über Änderungen der Mikro- und Nanostruktur der Probe gewonnen werden. Die multifo-kale Auslegung des Messsystems und die Verwendung einer intelligenten Kamera ermöglicht die simultane Auswertung von ca. 1500 Punkten bei einer Messdauer im Millisekunden-Bereich. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die konfokale An-ordnung die Mikrostruktur ohne Nachfokussierung auf schrä-gen Bauteilen erfolgen kann. Als Anwendungsbereich kommt die Qualitätssicherung in metall-, kunststoff-, keramik-, leder- und textilverarbeitenden Industrien bis hin zum Fahrzeugbau, der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Glas- und Keramikindus-trie sowie der Dental- und Medizintechnik in Frage.

Raphael Mader1, Silvia Ahmed2, Sven Simon2, Karl Stock1

1 Universität Ulm, Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik2 Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme

KontaktDipl.-Ing. Matthias SteiertInstitut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 • [email protected]

KontaktDr. Karl StockInstitut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • [email protected]. Dr. Sven SimonInstitut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 88450 • [email protected]

versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik • An der Uni-versität Ulm • Helmholtzstraße 12 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 1429 220 • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 •

Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik / AvT • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel: +49 (0) 761 203 7318 •

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Optik und Kernspin – Duale Mikroskopie für die Lebenswissenschaften

Das Projekt ADOPT-TOMO befasst sich mit der Entwicklung eines Mikroskopobjektives, das in einem Kernspintomographen eingesetzt werden kann. Im Gegensatz zu konventionellen Labormikroskopen muss für diese spezielle Anwendung be-sonders darauf geachtet werden, dass keinerlei magnetische Materialien verbaut werden, nicht einmal solche, die nur einen schwachen Effekt zeigen, wie zum Beispiel paramagnetische Materialien.

Auch Elektromotoren zum Nachfokussieren sind ungeeignet, da sie mit großer Wahrscheinlichkeit zerstört würden als auch das extrem homogene Magnetfeld stören, das für die Tomo-graphie so bedeutend ist.

ADOPT-TOMO entwickelt darum ein optisches Design für ein Aufl icht- und Durchlichtmikroskop aus komplett magnetisch angepassten Materialien. Zum Nachfokussieren wird ausschließ-lich Piezoaktorik verwendet, da diese nicht mit dem Magnet-feld wechselwirkt. Zum Projektende wird eine gleichzeitige kern-spin- und optische Mikroskopie möglich sein.

Das Institut für Mikrosystemtechnik und die Radiologische Klinik der Universität Freiburg arbeiten gemeinsam an diesem innova-tiven Optikprodukt.

Matthias C. Wapler1, Jens Gröbner2, Dominik von Elverfeldt2, Maxim Zaitsev2, Ulrike Wallrabe1

1 Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK2 Universitätsklinikum Freiburg, Radiologische Klinik – Medical Physics

CareCut – Grundlagen zur Laserbearbeitung von Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK)

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) gewinnt immer mehr an Bedeutung in der industriellen Fertigung aufgrund der Möglichkeit zur Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hervor-ragenden mechanischen Eigenschaften. Bei der mechanischen Bearbeitung tritt allerdings ein hoher Werkzeugverschleiß auf-grund der Materialeigenschaften von CFK auf. Die dabei auf-tretenden mechanischen Belastungen führen zu Delaminatio-nen und Abplatzungen in der Umgebung der Schnittfuge. Aus diesen Gründen bietet sich die Bearbeitung mittels Laserstrah-lung an.

Ziel des Projekts CareCut ist das kontrollierte und hochwertige Bearbeiten von CFK mit minimierter thermischer Schädigung um das Potenzial des Werkstoffs auszuschöpfen und die wirt-schaftliche Umsetzung zu ermöglichen.

Dazu wird die Laserbearbeitung von CFK grundlegend unter-sucht. Neben dem kontrollierten und präzisen Bearbeiten von CFK mit minimaler thermischer Schädigung wird auch der Abtragsprozess selbst mittels Hochgeschwindigkeitsaufnah-men untersucht, um ein vertieftes Prozessverständnis zu ge-winnen. Mikroskopische und photothermische Aufnahmen zei-gen die Ausdehnung der thermischen Schädigung. Darüber hinaus wird der Abtrag von CFK modelliert um die thermische Schädigung aufgrund der Wärmeeinbringung ins Material voraussagen zu können. Die thermischen und optischen Mate-rialparameter werden dazu eigens bestimmt, sowie die Ein-kopplung der Laserenergie ins Material. Aus den Ergebnissen der Modellierung und der Experimente ist es möglich opti-male Verfahrensstrategien für die Laserbearbeitung von CFK zu ermitteln.

Margit Wiedenmann1, Volkher Onuseit1, Rudolf Weber1, Thomas Graf1, Peter Mayr2, David Saal2, Florian Voit2, Jan Schäfer2, Florian Foschum2, Ansgar Hohmann2, Alwin Kienle2

1 Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)2 Universität Ulm, Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM)

KontaktProf. Dr.-Ing. Ulrike WallrabeUniversität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Mikroaktorik • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg • Tel. +49 (0) 761 203-7580 • [email protected]

KontaktMargit WiedenmannInstitut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • [email protected] 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65869 • Lehrstuhl für Mikroaktorik • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg • Lehrstuhl für Mikroaktorik • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg •

Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Mikroaktorik • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Mikroaktorik • Georges-Köhler-Allee 102 • 79110 Freiburg • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK •

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Optical spectroscopy in organic solar cell research

As a promising new energy alternative, solar cell attracts in-tense attention from both fundamental research and industry. Polymers and fullerenes are widely employed in organic solar cells as the electronic donors and acceptors. The morphology and the photo-physical properties of the polymer and fulle-renes blends at nanometer scale are found to be critical for achieving high device performance. Our research focuses on deeper understanding of the morphology-related photophys-ics and chemistry in organic semiconductors, which in the long run aims at fi nding rules for producing highly effi cient photovoltaic devices.

Using a home-built white light transmission setup, we moni-tor the absorption of different organic semiconductor blends. To image the distributions of individual components in the blends, we use Raman and photoluminescence spectroscopy combined with a parabolic-mirror assisted confocal optical microscope. Such information can be obtained at nanometer scale with correlated topography information through an updated confocal optical microscope combining with a shear-force scanning probe. With this setup, we obtain high reso-lution spectroscopic and recently photocurrent imaging of organic solar cell blends. From the simultaneously recorded morphology and spectroscopic information, the interplay among the blend fi lm morphology, the local donor and acceptor molec-ular distributions, and the photoluminescence quenching effi -ciency are discussed.

Marius van den Berg, Xiao Wang, Alfred J. Meixner, Dai Zhang

University of Tübingen, Institute for Physical and Theoretical Chemistry

Label free analysis of peptide arrays using Imaging Refl ectometricInterference Spectroscopy (iRIfS)

Peptide microarrays are used in a wide fi eld of different appli-cations, e.g. for epitope mapping. The use of label-free, time-resolved methods for that purpose gives access to kinetic and thermodynamic data. These are characteristic for each single peptide-antibody interaction. In the work presented, we used the optical, time-resolved method imaging Refl ectometric Interference Spectroscopy (iRIfS) for the analysis of peptide-antibody interactions. The interaction of an anti-Transgluta-minase antibody with fi ve different peptides, sequentially cov-ering the antibodies’ epitope was examined.

Arrays of pre-synthesized peptides were spotted onto dextran surfaces using a dot matrix printer. The arrays consisted of fi ve different peptides spotted in four replicates. In order to obtain reliable measurements optimal spotting conditions had to be chosen. This assures homogeneous peptide density and uniform shape of the spots.

The latter analysis using iRIfS showed that parallelized mea-surements of peptide-antibody interaction are possible. It was shown that the system can be used for the deter-mination of kinetic constants. Therefore, assay conditions such as peptide density on the array surface, antibody concentration in solu-tion and fl ow rate have to be chosen carefully to assure reliable results.

Barbara Schwarz, Günther Proll, Günter Gauglitz

Universität Tübingen, Institut für physikalische und theoretische Chemie

KontaktPD Dr. D. ZhangParabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 297 7639 • [email protected]

KontaktBarbara SchwarzInstitut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • [email protected] der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 8 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071-29-74667 • Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen •

Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Parabolic mirror nanooptics group • Institute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen •

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Posterausstellung: Funktionelle Nanostrukturen

2.2Funktionelle Nanostrukturen

Elektronentransport an Grenzfl ächen zwischen ferromagne-tischen und unmagnetischen Metallen bildet die Grundlage für funktionale Strukturen der Spinelektronik. Magnetische Isolatoren sind vielversprechende Spinfi lter-Materialien für Spintronik-Anwendungen. Dabei spielt zunehmend phasen-kohärenter Transport in epitaktischen Strukturen eine Rolle. Eine experimentell besonders klare Signatur spinabhängigen phasenkohärenten Transports ist das Auftreten gebundener Andreev-Zustände an der Grenzfl äche zwischen Ferromagne-ten und Supraleitern, deren Untersuchung das Ziel dieses Pro-jekts ist. Deshalb wird die spinabhängige Streuung an Grenz-fl ächen zwischen Supraleitern und Ferromagneten an zwei komplementären Modellsystemen studiert. In Karlsruhe wur-den epitaktische Filme aus dem ferromagnetischen Isolator Europiumsulfi d (EuS) hergestellt. Auf diesen wurden Hybrid-strukturen aus supraleitendem Aluminium und normalleiten-dem Kupfer bzw. ferromagnetischem Eisen hergestellt und de-ren Transporteigenschaften untersucht. Rastertunnelspekt-roskopie in Konstanz an Schichtsystemen aus Al/EuS/Ag zeigt deutlich den Einfl uss der spinaktiven Grenzfl äche EuS durch Anomalien in der Zustandsdichte innerhalb der Energielücke. Diese Beobachtungen, sowie neuartige thermoelektrische Effekte wurden in der Konstanzer Theoriegruppe vorhergesagt.

Spektroskopie, Spin- und Transporteigenschaften von Andreev-Molekül-Zuständen

Simon Diesch1, Peter Machon1, Wolfgang Belzig1, Elke Scheer1, Michael. J. Wolf2, Detlef Beckmann2, Christoph Sürgers3, Hilbert v. Löhneysen3

1 Universität Konstanz, Fachbereich Physik 2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie 3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Physikalisches Institut

KontaktProf. Dr. Wolfgang BelzigFachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4782 • [email protected] Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4782 • [email protected] Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4782 • [email protected] Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz • Fachbereich Physik • Universität Konstanz • 78457 Konstanz •

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Der Mensch erzeugt seit vielen Jahrtausenden Keramiken bei hohen Temperaturen (typ. 1000°C), was seit jeher und bis heute mit entsprechend hohem Energieverbrauch verbun-den ist. In der Natur werden dagegen bei Raumtemperatur vergleichbare Materialien mit sehr guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften erzeugt. Das Perlmutt der Mu-scheln beispielsweise besteht aus organischen Anteilen und anorganischen Kalkplättchen und erzielt durch seinen mauer-artigen Aufbau sehr hohe mechanische Festigkeiten. Die orga-nischen Moleküle dienen hierbei als Templat für die Abschei-dung des Minerals. Dieses Prinzip nehmen wir uns zum Vor-bild, um das technisch interessante Zinkoxid herzustellen. Als Halbleiter wird es in elektronischen Bauteilen, wie Transisto-ren oder LEDs eingesetzt.


Selbstwachsende Elektronik aus Zinkoxid nach dem Vorbild der Bildung von Perlmutt

Nina Blumenstein1, Petia Atanasova1, Luciana Pitta Bauermann1, Peter Gerstel1, Joachim Bill1, Stefan Walheim2,3, Cheng Huang2,3, Armin Müller2,3, Svetlana Khasmiskaya2,3, Thomas Schimmel2,3

1 Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaft (IMW) 2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik (AP)3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie (INT)

Chemisch funktionalisiertes Graphen für die Spintronik

Ziel unserer Forschungsarbeiten ist der Einsatz von chemisch modifi zierten Graphenmonolagen als elektronisch aktive Kom-ponenten in der Spintronik. Die chemische Funktionalisierung erfolgt zum einen durch kovalente Kopplung von organischen Molekülen, wobei das π-konjugierte System des Graphens nur partiell gesättigt wird und somit ungepaarte Elektronen (Spins) generiert werden. Hierbei werden bestimmte Anordnungs-muster der funktionellen Gruppen erzeugt, um eine kontrol-lierte Wechselwirkung der Ladungsträger mit den Spins zu erreichen. Eine zweite Strategie besteht in der Adsorption von molekularen Magneten auf die Graphen-Monolagen. In die-sem Fall bestimmen wir mittels statischer und dynamischer Magnetisierungsexperimente die Spindynamik der moleku-laren Magnete und somit die Wechselwirkungsmechanismen mit den Ladungsträgern und Schwingungsanregungen im Graphen. Für beide Arten von funktionalisiertem Graphen sind Spinvalves in Entwicklung, deren Leitfähigkeit von der relati-ven Orientierung zwischen dem Spin der injizierten Ladungs-träger und dem Spin im Graphen bzw. in den gekoppelten molekularen Magneten gesteuert wird. Hierbei kommt der Art und Dicke der Tunnelbarriere zwischen den ferromagnetischen Kontakten und dem Graphen eine entscheidende Rolle zu.

Christian Cervetti1, Marko Burghard2, Lapo Bogani1

1 Universität Stuttgart, 1. Physikalisches Institut2 Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

KontaktProf. Dr. Thomas SchimmelKarlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • [email protected]

KontaktDr. Lapo Bogani1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • [email protected]. Marko BurghardMax-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • [email protected]

Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 •

1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart • 1. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • 70550 Stuttgart •

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Kodierte Selbstorganisation von Nanopartikeln und Mechanismen der nichtklassischen Kristallisation

In diesem Projekt sollen Nanopartikel mit Hilfe von zwei Mo-dellproteinen zu defi nierten Überstrukturen mit gegenseitiger Orientierung, den sogenannten Mesokristallen strukturiert werden.

Zunächst sollen die Nanopartikel durch Überstrukturbildung eines Toroid / Donut und Fibrillen bildenden Proteins (Hcp1) gezielt an die faserförmigen Templatstrukturen angeheftet werden, um so eine gegenseitige Nanopartikelorientierung zu erreichen. Das Hcp1 bildet ein Proteinhomohexamer, das je nach Ionenstärke gezielt zu Fibrillen assembliert werden kann. Durch den Einbau unnatürlicher Aminosäuren können seiten-spezifi sch chemische Funktionalitäten eingeführt werden, die zur gezielten Wechselwirkung mit Nanopartikeln oder zur selektiven Verknüpfung zweier Proteine verwendet werden können. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit die Nanopar-tikel in die Kavität einzubauen. Darüber hinaus sollte das lös-liche elastinartige Protein (ELP) für die kristallfl ächenspezifi -sche Adsorption auf der Nanopartikel verwendet werden. ELP besitzt die interessante Eigenschaft, je nach chemischer Zusammensetzung eine über weite Bereiche relativ exakt ein-stellbare untere kritische Löslichkeitstemperatur aufzuweisen, bei der das Protein von einer knäuelartigen zur geordneteren Betaspiralstruktur übergeht. Diese Strukturänderung hat eine Änderung der Proteinwechselwirkung zur Folge und wird so-wohl für die Kristallisation als auch für die Assemblierung hier-archisch komplexerer Strukturen herangezogen.

Helmut Cölfen1, Tuan Anh Pham1, Stefan Schiller2, Andreas Schreiber2, Andreas Ziegler3

1 Universität Konstanz, Physikalische Chemie2 Freiburg Institute for Advanced Studies3 Universität Ulm, Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie

Center for Light-Matter Interaction, Sensors & Analytics (LISA+)

The core facility LISA+ provides a unique research and service facility in natural science within the infrastructure of the Uni-versity of Tübingen. Founded in 2011, LISA+ includes 20 scientifi c research groups from physics and chemistry using the existing multidisciplinary nanostructure laboratory.

The concept of LISA+ is to coordinate the human resources, tech-nical facilities and research topics for: 1) effi cient and professional use of present resources to increase

the coherence of research activities, to optimize the use of equipment and to create synergies for access to latest equip-ment which will also allow for developing new measure-ment techniques.

2) coherent planning of sustainable development.3) expert training and advice to improve research oriented

training and to stimulate projects & knowledge transfer.4) optimizing knowledge transfer between users and industry

to accelerate research to market transfer.

LISA+ utilizes advances in patterning, manipulation and anal-ysis on the atomic scale for new developments in the area of quantum instruments, light harvesting, nano systems, and sensor technology. In particular, new measurement techniques are developed based on optical or quantum effects (e.g. in superconductivity, ion interferometry, quantum optics, atomic quantum gases…). Currently two collaborative projects within LISA+ are funded by the Baden-Württemberg Stiftung on the topics of nanostructured organic photovoltaic cells and hybrid GRIN lenses.

Monika Fleischer1, Dieter Koelle2, Udo Weimar3

1 Eberhard Karls Universität Tübingen, Institut für Angewandte Physik und Center LISA+

2 Eberhard Karls Universität Tübingen, Physikalisches Institut und Center LISA+

3 Eberhard Karls Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie und Center LISA+

KontaktProf. Dr. Helmut CölfenPhysikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • [email protected] Dr. Stefan M. SchillerFreiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS) • Albert-Ludwigs-Universität Freiburg • Albertstraße 19 • 79104 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 97405 • Fax +49 (0) 761 203 97451 • [email protected]

KontaktRonny Löffl er, Markus TuradInstrument Scientists • Center LISA+ • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • [email protected]

Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 • Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Physikalische Chemie • Universität Konstanz • Universitätsstraße 10, Fach 714 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 884063 • Fax +49 (0) 7531 883139 •

Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • • Eberhard Karls Universität Tübingen •

Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen •

Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • • Eberhard Karls Universität Tübingen •

Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen • • Eberhard Karls Universität Tübingen •

Auf der Morgenstelle 15 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 76260 •

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Plasmonic Protein Sensing

Proteins are responsible for a plethora of biological tasks in living organisms. However, the folding of proteins is crucial since it determines their functionality. If proteins are folded incorrectly, incurable diseases such as Alzheimer’s, BSE (mad cow disease) among others may result.

Within the framework of our project „PROTEINSENS“ we aim to realize ultra-sensitive monitoring of individual proteins during their folding process in order to unravel the mechanism of protein folding. Our approach utilizes a combination of optical broadband mid-infrared radiation from a short pulse laser source together with large-area metal nanostructures. The plasmonic near-fi eld enhancement of such metal nano-structures enables the ultra-sensitive detection and analysis of minute amounts of proteins adsorbed on the structures in aqueous solution. Temperature or pH changes of the solution will be used to induce conformational changes in proteins. The folding process itself will be in-situ monitored by means of time-resolved antenna-enhanced infrared spectroscopy.

In our contribution, we report on the current status of our proj-ect: the successful fabrication of large-area metal nanostruc-tures, the integration of a wide-band short-pulse mid-IR laser into our infrared spectrometer, and preliminary antenna-en-hanced infrared spectra of proteins.

Harald Giessen1, Frank Neubrech1, Claudia Pacholski2, Karin Hauser3

1 Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut2 Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart3 Universität Konstanz, Biophysikalische Chemie

Die Chemie macht’s möglich: Ortsselektives Wachstum von viralen Systemen auf Oberfl ächen als Basis für die Diagnostik von morgen

Diese Arbeit beleuchtet einen Teilaspekt des Projektes A6 mit dem Titel „Seriell angeordnete kombinatorisch aktive Virus-gerüste als Biosensor-Ensembles“ des Kompetenznetzes Funk-tionelle Nanostrukturen (KFN) der Baden-Württemberg Stiftung. Dabei sollen auf nanoskaligen Nukleationszentren komplexe und bioaktive Nano-Hybridsysteme auf Basis von Tabakmosaikvirus-(TMV)-artigen Partikeln mit echtem Anwen-dungspotential z. B. für die Analytik generiert werden. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen ein chemisches Verfahren zur Immobilisierung von Gerüst-RNA, die das Wachstum der TMV-Partikel steuert. Es wurde zunächst für unstrukturierte oxidi-sche Substrate (Glas, SiO2-Wafer etc.) optimiert und später auch auf polymere Materialien übertragen. Die Zugabe viraler Hüllproteine zu den mit RNA belegten Substraten führt durch einen Selbstassemblierungsprozess zur Ausbildung der virus-artigen, röhrenförmigen Nanopartikel (Länge: einige hundert Nanometer, Durchmesser: 18 Nanometer), die an ihrer äußeren Proteinhülle mit bioaktiven Molekülen (z. B. Enzymen) funk-tionalisiert werden. Durch die Kombination mit hochmodernen Verfahren der Oberfl ächenstrukturierung ist es mittlerweile auch möglich, Oberfl ächenbereiche jeder beliebigen Größe und Form im cm-Maßstab mit solchen „funktionalen Stäbchen“ zu dekorieren. Der Prototyp einer funktionsfähigen Enzymkaskade, die auf TMV-Partikel-geträgerten Enzymen basiert, konnte vor kurzem weltweit zum ersten Mal in Form einer Durchfl usszelle realisiert werden.

H. Gliemann1, C. Azucena1, F. Eber2, K. Wabbel2, S. Walheim3, T. Schimmel3, H. Jeske2, S. Eiben2, C. Wege2

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Funktionelle Grenzfl ächen2 Universität Stuttgart, Biologisches Institut3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie

KontaktProf. Dr. Harald Giessen4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 6856511 • [email protected]

KontaktDr. Hartmut GliemannInstitut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • Tel +49 (0) 721 608 26435 • [email protected]

4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 6856511 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 6856511 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 4. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 •

(KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen • Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie Institut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leopoldshafen •

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Nahfeldeffekte und Energietransfer in metallisch-oxidischen Nanostrukturen

Wandlung und Speicherung von Energie aus regenerativen Quellen sind unter den großen Herausforderungen unserer Zeit, zu deren Lösung die Nanotechnologie einen Beitrag lie-fern kann. Im Zentrum dieses Projektes stehen die Konzentra-tion von Licht im Nahfeld metallischer Nanoantennen und der Energieübertrag auf nanoskalige Oxide. Solche Hybridsys-teme könnten in Zukunft die effi ziente Wandlung von Sonnen-energie nicht nur in elektrische Energie, sondern auch direkt in langfristig speicherbare chemische Energie ermöglichen. Durch die Dotierung der Oxide mit Seltenen Erden werden die-se zu lokalen Nanosonden. Ihre Emission dient als Maß für den Energietransfer und kann durch die große Energieverschie-bung einfach vom Anregungslicht unterschieden werden. Zur hochaufgelösten Charakterisierung der Systeme wird die konfokale Mikroskopie eingesetzt. Begleitende numerische Simulationen der elektromagnetischen Feldverteilung in der Umgebung der Nanoantennen ermöglichen ein quantitatives Verständnis der Systeme. Löschungseffekte an den Oberfl ächen der metallischen Nanoantennen, welche die Effi zienz der Ener-giewandlung limitieren, werden durch das Einfügen von dielek-trischen Zwischenschichten kontrollierter Dicke reduziert. Das Projekt profi tiert insbesondere von der standortübergreifenden Zusammenarbeit von Arbeitsgruppen mit komplementärer Expertise innerhalb von Baden-Württemberg im Rahmen des Kompetenznetzes „Funktionelle Nanostrukturen“.

Ulrich Herr1, Balati Kuerbanjiang1, Cahit Benel1, Giorgos Papageorgiou1, Manuel Goncalves2, Johannes Boneberg3, Paul Leiderer3, Paul Ziemann4, Peter Marek5, Horst Hahn5

1 Universität Ulm, Institut für Mikro- und Nanomaterialien2 Universität Ulm, Institut für Experimentelle Physik3 Universität Konstanz, Fachbereich Physik4 Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik5 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institut für Nanotechnologie

Control of vascular cells by small surface features

Blood vessel graft materials have a broad range of clinical appli-cations and several approaches have been utilized to improve their medical functions. One of them is the micro/nano-structur-ing of their surfaces. In our study the behavior of important components of human blood vessel tissue, the endothelial cells (ECs) and smooth muscle cells (SMCs) are investigated on micro/nano-structured polymer surfaces. To determine age-dependent differences in the cell reactions, cells from different old donors are used. The aim is to understand in detail the interaction of two medically relevant cell types with micro-/nano-structured biofunctionalized surfaces on a cellular and molecular level. We performed studies of cell spreading, adhesion, and prolifer-ation using fundamental experimental methods, such as immu-nostaining procedures, gene expression profi ling, and prolifer-ation assays together with conventional and high resolution microscopy techniques. We observed an age-dependent level of alignment of ECs and SMCs on structured surfaces: old ECs and SMCs were more sensitive towards the structure than young cells. We determined for old ECs that they were nega-tively affected in their proliferation on structured surfaces while young ECs were not infl uenced and no differences were detected between old and young SMCs. Overall, our new cell adhesive interfaces allow the precise investigation of cellular reaction and are thus of interest for regenerative medicine and the development of implant surfaces.

Alexandra M. Greiner1, Hao Chen1, Adria Sales2, Dieter Kaufmann3, Ralf Kemkemer2,4

1 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Department of Cell- and Neurobiology2 Max Planck Institute for Intelligent Systems, Stuttgart, Department of New Materials and Biosystems3 University Ulm, Department of Human Genetics4 Reutlingen University, Department of Applied Chemistry

KontaktProf. Dr.-Ing. Ulrich HerrInstitut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Ralf KemkemerApplied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected]. Alexandra GreinerDepartment of Cell- and Neurobiology • Karlsruhe Institute of Technology (KIT) • Haid-und-Neu-Straße 9 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48828 • [email protected]

Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected] für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Institut für Mikro- und Nanomaterialien • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 5487 • [email protected]

Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected] Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Applied Chemistry • Reutlingen University • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2070 • [email protected]

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Advanced Optical Nanoscopy: from fundamental research to industry application

There are increasing demands in the fi eld of industrial pro-duction of large and plane substrates for the characterization of non conform, irregular domains or material tension even on nanoscales. Examples for substrates with high demands in terms of surface precision are metal sheets, thin layers on any basic materials, modifi ed surfaces, corrosion pits, semiconduc-tors or deposited material on surfaces. The great challenge in industry is to macroscopically probe the defect areas on large scale substrates followed by a characterization of these areas on nanoscales.

Combining the industrial application-oriented expertise of the Process Analysis & Technology group at Reutlingen University with the fundamental research focused know-how of the Nano-optics group at University of Tübingen, we present an integral concept to deal with the demands of macroscopic (dm2 to m2) characterization and additional nanoscopic (~nm2) examina-tion.

With the help of optical sensor techniques and multivariate analysis methods, the defect area on the large scale substrate will be located. Afterwards, the defect domain is investigated in the optical near-fi eld with the appropriate techniques. A solid immersion lens system is available for scanning near-fi eld optical microscopy (SNOM) with a lateral resolution of ~30 nm. To achieve chemical information of the defects with higher lateral resolution, near-fi eld Raman spectroscopy (TERS) can be used.

Edwin Ostertag1, Dai Zhang2, Rudolf W. Kessler1, Alfred J. Meixner2

1 Reutlingen University, Reutlingen Research Institute, Process Analysis and Technology2 University of Tübingen, Institute for Physical and Theoretical Chemistry

Synthesis and electronic transport properties of single molecules

Das Ziel des Projektes ist es eine molekulare Plattform zu ent-wickeln, die für die Kontaktierung sowohl im Rastertunnel-mikroskop (STM) als auch in Bruchkontakten (MCBJ) geeignet ist, um eine größtmögliche Vergleichbarkeit der Untersuchun-gen zu erreichen. Dabei ist wichtig, ein konjugiertes Elektronen-system zu erhalten, das von den Metallelektroden über die Plattform bis hin zur funktionalen Endgruppe reicht. Für die STM-Untersuchungen muss der funktionelle Draht von der Oberfl äche abgehoben werden, für die MCBJ muss eine beid-seitige gute elektronische Ankopplung an die Elektroden ge-währleitet sein. Es wurden zwei verschiedene neue Spirobi-fl uoren-Dreibeine entworfen und synthetisiert, die an den Standbeinen mit selbstentschützenden Schwefelankergrup-pen versehen sind, so dass während der Abscheidung die An-kergruppe leicht freigesetzt werden kann. Der Projektteil der Karlsruher Physikgruppe befasst sich mit der Kontaktierung einzelner Moleküle zwischen der Spitze des STMs und einer molekültragenden Metalloberfl äche, um sowohl die Konfor-mation des Moleküls als auch die elektronischen Eigenschaf-ten sub-molekular aufl ösen zu können. Der Konstanzer Pro-jektteil beinhaltet die Kontaktierung einzelner Moleküle mit MCBJ-Technik. Es werden Messungen des inelastischen Trans-ports bei tiefen Temperaturen durchgeführt, um dadurch Auf-schluss über die elektronischen Kopplungsmechanismen und die Konformation in der Elektrodenanordnung zu erhalten.

Michal Valasek1, Marcin Lindner1, David Weber2, Mohammad Amin Karimi2, Maya Lukas1, Hilbert v. Löhneysen3, Elke Scheer2, Marcel Mayor1

1 Karlsruher Institute of Technology (KIT), Institute of Nanotechnology 2 University of Konstanz, Physics Department 3 Karlsruher Institute of Technology (KIT), Physical Institute

KontaktProf. Dr. R.W KesslerReutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • [email protected]. Dr. A.J. MeixnerInstitute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 297 6903 • [email protected] PD Dr. D. ZhangInstitute for Physical and Theoretical Chemistry • University of Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 297 6903 • [email protected]

KontaktDr. Maya LukasInstitut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 •

Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen Reutlingen Research Institute • Process Analysis and Technology • Reutlingen University • Alteburgstraße 150 • 72762 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 271 2010 • pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected]

Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected] für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Cam-pus Nord • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 26376 • [email protected]

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Research Network of Excellence on Functional Nanostructures Baden-Württemberg Project A07: Infl uence of the Substrate Structure on the Nanomechanics of Focal Adhesion Points – Progress Report

The regulation of the morphology and function of adherent cells is infl uenced by the molecular structure of supporting surfaces. One of the interactions between the surface prop-erties and the different regulation properties is mediated by focal adhesion complexes. In this poster we investigate the nano-mechanics of these complexes using scanning electron microscopy (SEM) to determine the spatial arrangement, micro-rheology to measure frequency dependent mechanical proper-ties, and nano-machining in the atomic force microscope (AFM) to form the substrates.

To expose the focal adhesion complexes for SEM we detach the upper parts of the cells using adhesive tape. The exposed focal adhesion complexes are thus accessible for a broad range of electron microscopy tools. Focal adhesion points connect to the cytoskeleton systems. Therefore, extracted cytoskeletons were analysed by statistical methods to determine the dis-tribution of junction-to-junction distances. A passive and active optical rheology setup with improved low-noise LED illumina-tion was used to measure the spatial tracks of the Brownian motion. Using suitable transformation techniques, frequency dependent mechanical properties of these networks are ob-tained from the micro-rheology experiments.

Finally in-situ Total Internal Refl ection Microscopy (TIRF) im-ages the cytoskeleton near the substrate.

Ines Martin1, Michael Beil2, Paul Walther3, Thomas Schimmel4, Stefan Walheim4, Othmar Marti1

1 Ulm University, Institute for Experimental Physics2 Ulm University, Internal Medicine I3 Ulm University, Central Facility of Electron Microscopy4 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Applied Physics

Organische Feldeffekttransistoren auf der Basis von funktionalisierten Polyethylen-Nanokristallen

Kristalline Nanopartikel sind als Bausteine und Funktionsein-heiten in der Nanotechnologie allgegenwärtig. Im Gegensatz zu den etablierten anorganischen Nanopartikeln sind organi-sche Polymer-Nanopartikel diesbezüglich weniger untersucht worden. Sie sind aber prinzipiell attraktiv als nanoskalige Bau-steine da sie vielseitig funktionalisiert werden können.

Durch Verwendung präzise verzweigter Polyethylene kann auf die kristallinen Eigenschaften in Form der Lamellendicke ge-zielt Einfl uss genommen werden. Die Sekundärdispergierung präzise Carboxyl-verzweigter Polyethylene führt zu Disper-sionen anisotroper Nanokristalle, deren Lamellendicken mit dem Abstand der Carboxyl-Verzweigungen der verwendeten Polymere übereinstimmen. Die Partikeldimensionen können also in der molekularen Mikrostruktur der Polymere enkodiert werden. Durch kontrollierte Selbstorganisation der Nanokris-talle unter Verwendung von Langmuir-Schaefer-Technik und langsames Verdampfen von Lösungsmittel aus Dispersiontröpf-chen können dünne Filme aus Kristall-Monolagen erzeugt wer-den. Bemerkenswerterweise kristallisieren hier die nanoskali-gen Kristalle selber als Bausteine zu mikroskaligen Mesokris-tallen. Durch Funktionalisierung dieser Filme mit konjugierten π-Systemen können leitfähige Schichten auf den Polyethy-len-Schichten erzeugt werden, die als Isolator dienen. Diese Systeme können für elektronische Anwendung auf der µm- und nm-Skala in Form von organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) Verwendung fi nden.

Patrick Ortmann1, Justyna Trzaskowski1, Rainhard Machatschek2, Günter Reiter2, Elizabeth von Hauff2, Paul Leiderer3, Stefan Mecking1

1 Universität Konstanz, Fachbereich Chemie2 Universität Freiburg, Fakultät für Mathematik und Physik3 Universität Konstanz, Fachbereich Physik

KontaktProf. Dr. sc. nat./ETH Zürich Othmar MartiInstitute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Stefan MeckingLehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • [email protected]

89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected]

Prof. Dr. sc. nat./ETH Zürich Othmar MartiInstitute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected]

Prof. Dr. sc. nat./ETH Zürich Othmar MartiInstitute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • Institute for experimental Physics • Ulm University • Albert-Einstein-Allee 11 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 50 23011 • [email protected] tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 •

Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 •

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Durchstimmbare Mikroresonatoren: Die kleinsten Spektrometer der Welt

Optische Resonatoren, z. B. Fabry-Perot-Resonatoren, sind ein geeignetes Werkzeug, um den Einfl uss wohldefi nierter elek-tromagnetischer Felder, der sogenannten Resonatormoden, auf Moleküle und Partikel zu untersuchen. Durch ihre räum-liche und energetische Struktur sind diese Moden in der Lage, die optischen Eigenschaften lumineszierender Partikel kon-trollierbar zu verändern.

Ein neu entwickelter und hier präsentierter Aufbau ermöglicht uns, die Modenstruktur innerhalb einer Experimentenreihe zu stimmen, indem der Abstand der Resonatorspiegel reproduzier-bar variiert wird.

In Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften eines Emit-ters kann eine starke oder schwache Kopplung an die Moden-struktur beobachtet werden.

Bei der starken Kopplung erfolgt über eine bestimmte Dauer ein kontinuierlicher Energieaustausch zwischen den Resonator-moden und dem Emitter, wie anhand von plasmonischen Gold-stäbchen gezeigt wurde. Dabei lassen sich Effekte wie Signal-aufspaltung und Anti-Crossing beobachten.

Bei der schwachen Kopplung wird die strahlende Lebensdauer eines Fluorophors durch erhöhte bzw. abgesenkte Modendichte verkürzt bzw. verlängert. Aufgrund der Abhängigkeit eines op-tischen Übergangs von seinen spektralen Eigenschaften lässt sich das resultierende Fluoreszenzspektrum manipulieren.

Alexander Konrad, Michael Metzger, Andreas Kern, Marc Brecht, Alfred J. Meixner

Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie

Sharp Gold-tip as Luminescent Nearfi eld Probe

In recent years, the visualization of optical near fi elds has been a major research area in the fi eld of nano-optics. Scanning probe based methods are often used for this purpose, measur-ing the light scattered from a gold nanosphere placed on a fi ber tip1 or from the scanning tip itself.2 While plasmonic scat-terers do not bleach, these techniques are based on a local perturbation of the measured near fi eld. Alternatively, the lumi-nescence of a single quantum emitter like a molecule attached to the tip can be used,3 reducing the impact on the investigated near fi eld. Such systems, however, suffer from photobleaching and are not a stable signal source. Here, we will present a novel approach for a near-fi eld sensor utilizing the non bleachable luminescence of a sharp gold tip.

We observed the near fi eld generated by non luminescent alu-minium plasmonic oligomers excited by a tightly focused ra-dially or azimuthally polarized cylindrical vector beam (CVB). These near fi elds were mapped by raster-scanning a sharp gold tip (apex radius < 10nm) over the structure and recording the luminescence of the tip. This novel approach enables us to map the near fi elds of a nano-object with a non bleachable and low perturbation probe.

1 Kalkbrenner, T.; Ramstein, M.; Mlynek, J.; Sandoghdar, V., J. Microsc.-Oxford 202, 72 (2001)

2 Hillenbrand, R., Ultramicroscopy 100, 421 (2004)3 Michaelis, J.; Hettich, C.; Zayats, A.; Eiermann, B.; Mlynek, J.;

Sandoghdar, V., Optics Letters 24, 581 (1999)

Sebastian Jäger1, Andreas M. Kern1, Mario Hentschel2, Regina Jäger1, Kai Braun1, Dai Zhang1, Harald Giessen2, Alfred J. Meixner1

1 University of Tübingen, Institute of Physical and Theoretical Chemistry2 University of Stuttgart, 4th Physics Institute and Research Center SCoPE

KontaktAlexander KonradInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected]. Dr. Alfred J. MeixnerInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected]

KontaktProf. Dr. Alfred J. MeixnerInstitut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected]. Dr. Harald Giessen4. physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • [email protected]

Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected]

Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • [email protected] für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für physikalische und theoretische Chemie • Universität Tübingen •

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Photolubrikation: Die Steuerung von mechanischer Reibung mit Licht

Reibung mit Licht schalten: Mit einem völlig neuartigen Kon-zept [1,2] soll Reibung zwischen Festkörpern mit Licht geschal-tet werden. Die Grundlage sind Moleküle an der Oberfl äche der Reibkörper, die ein- und ausgeklappt werden können. Da-bei werden jeweils andere chemische Gruppen exponiert und somit eine andere Oberfl äche zur Wechselwirkung erzeugt.- Belichtung kann kostengünstig realisiert werden (LED)- Licht erlaubt schnelles Schalten- Dies ermöglicht den Einsatz auch in kleinen Geometrien

(von der Mikrosystemtechnik bis zu Makroanwendungen)- Keine Schmierstoffe notwendigÆ Zuverlässigkeit, Langzeitstabilität

[1] Th. Schimmel und O. Marti. Lubrication by exposure to light. Patentanmeldung (WO2007020102A1)

[2] Bild der Wissenschaft Plus – Lichtblicke – Sonderpubli-kation zu Bild der Wissenschaft 1/2010

Markus Moosmann1,2, Stefan Walheim1,2, Othmar Marti3, Thomas Schimmel1,2

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik (AP)2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie (INT)3 Universität Ulm, Institut für Experimentelle Physik

Diamond for Quantum Optics

Diamond has remarkable material properties and is therefore suitable for many different quantum applications, namely as host for electrically pumped single photon emitters inside of a PIN-diode, for charge state manipulation of NV centers by aluminum Schottky junctions or as AFM-diamond tip with a single NV center for magnetometry at bio materials.

The properties which make diamond an extraordinary mate-rial are high Debye temperature (1860K), large bandgap (5.45 eV), low 13C concentration, broadband spectral transparency (from UV to far IR) and a high charge carrier mobility (4500 and 3800 cm2/Vs for electrons and holes respectively). Due to the low electron-phonon coupling a single defect center in diamond is comparable to an atom in vacuum. Thus we have an isolated quantum system in a solid that can be used for quantum tech-nological purposes at room temperature.

Diamond layers are deposited at Fraunhofer IAF by micro-wave plasma enhanced CVD (MWPECVD) using a reactor de-sign developed in-house with a rotation symmetric ellipsoidal microwave cavity. The diamond layer can be intrinsic, p-doped (boron), n-doped (phosphorous) or even isotopically enriched (12C≈99.95 %). With the MWPECVD technique, diamond with high phase purity and impurity concentrations below ppb and an atomically smooth surface (roughness below 1 Å) through overgrowth of mesa structures or subsequent polishing can be achieved.

C. Schreyvogel1, C. Widmann1, M. Wolfer, H. Kato1,2, H. OblohX, W. Müller-SebertX, O. Ambacher1, C. E. Nebel1

1 Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics (IAF), Freiburg2 Energy Technology Research Institute (AIST), Tsukuba, Japan


KontaktChristoph SchreyvogelFraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Tullastraße 72 • 79108 Freiburg • Tel +49 (0) 761 5159-495 • [email protected] WidmannFraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Tullastraße 72 • 79108 Freiburg • Tel +49 (0) 761 5159-272 • [email protected]

Tullastraße 72 • 79108 Freiburg • Tel +49 (0) 761 5159-495 • Tullastraße 72 • 79108 Freiburg • Tel +49 (0) 761 5159-495 • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Tullastraße 72 • 79108 Freiburg • Tel +49 (0) 761 5159-495 • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF • Fraunhofer-Institute for Applied Solid State Physics IAF •


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Integration von Porenproteinen in elektrische Nanostrukturen für die Biosensorik

Ziel des Projekts ist die Nutzung der Eigenschaften biologischer Poren für nanoskalige elektronische Bauteile. Der Vorteil von Proteinporen ist, neben der hohen Variabilität und biochemi-schen Modifi zierbarkeit, vor allem der präzise einstellbare Po-reninnendurchmesser im Bereich zwischen 1 und 3 ± 0.2 nm. Hierzu werden bereits existierende und eingehend charakte-risierte Proteinkanäle mit Nanometer-Durchmessern in mit elektrischen Kontaktstrukturen umgebenen Solid-State Poren defi nierter Größe (<50 nm) eingebracht. Mikroelektronische Schaltungen an den Mikroporen bestimmen durch zeitauf-gelöste Messung der Stromstärke die Aktivität einzelner Prote-inkanäle. Die Kombination von Siliziumtechnologie und Nano-porentechnologie liefert so die Grundlage für den Aufbau eines Hybridmembran-Biochips oder auch Coulter-Messkopfs für die Molekülanalytik. Sollte es in der näheren Zukunft möglich sein, Aquaporine in die Solid-State Poren einzupassen, so könn-ten auf diese Weise robuste Membranen gefertigt werden, die in der klinischen Dialyse – Stichwort: Künstliche Niere – neu-artige Anwendung fi nden.

Franjo Artukovic1, Fabian Enderle3, Axel Seidenstücker3, Stephan Nussberger1, Dirk Linke2, Alfred Plettl3, Paul Ziemann3

1 Universität Stuttgart, Biophysik Department2 Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen3 Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik

Thermoelectric and inelastic effects in charge transport through atomic and molecular contacts

It is the goal of our project to improve the present understand-ing of the interaction of electrons and phonons at the atomic scale. This interaction is for instance the reason for thermo-electric effects that can be used to convert heat into electric energy. Furthermore, it leads to heating in electric circuits when current fl ows. In the ongoing miniaturization of electron-ic devices, this heating is becoming a crucial problem. Thus, the interaction between electronic and atomic degrees of free-dom together with the heat dissipation is studied here in selected model systems. Thermal and electric transport quan-tities are analyzed at the smallest scales in a combined theo-retical and experimental effort.

Within this project several studies have been and are being carried out of which we present a selection on the poster. They are organized as follows: (i) Inelastic electron-tunneling spectra of stacked benzene molecules [T. J. Hellmuth et al., in preparation], (ii) optically switchable molecules based on diarylethenes [Y. Kim et al., Nano Lett. 12, 3736 (2012)], (iii) ther-moelectric properties of metallic nanocontacts [B. Kopp et al., Beilstein J. Nanotechnol. 3, 703 (2012)].

Bastian Kopp1, Thomas J. Hellmuth2, Wolfgang Belzig1, Elke Scheer1, Gerd Schön2, Paul Leiderer1, Fabian Pauly1

1 University of Konstanz, Department of Physics2 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institut für Theoretische Festkörperphysik

KontaktAOR Dr. Alfred PlettlInstitut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected]. Dr. Stephan NußbergerBiologisches Institut, Abt. Biophysik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70550 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 6856 5002 • [email protected]

KontaktJun.-Prof. Dr. Fabian PaulyDepartment of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • http://cms.uni-konstanz.de/physik/pauly/

89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • 89081 Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] Ulm • Tel +49 (0) 731 502 2984 • [email protected] für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 • Institut für Festkörperphysik • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 11 •

78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • Department of Physics • University of Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78464 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88 4926 • [email protected] •

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Das Kompetenznetz „Funktionelle Nanostrukturen“

Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert. Immer kleinere Strukturen gewinnen eine immer größere technologische und wirtschaftliche Be-deutung. Die Palette der Anwendungen reicht dabei von Auto-lacken, Katalysatoren und Hochleistungswerkstoffen über medizinische Anwendungen bis zu Datenspeichern und zur Mikro- und Nanoelektronik, um nur wenige Beispiele zu nen-nen.

Das Kompetenznetz „Funktionelle Nanostrukturen“ bietet eine Plattform für eine solche zielgerichtete, fachübergreifende und standortübergreifende Forschung im Bereich der Nano-technologie in Baden-Württemberg. Ziel des Kompetenznet-zes ist es, Herstellung, Eigenschaften und Funktionsweise intel-ligenter „Funktioneller Nanostrukturen“ zu erforschen und damit die Basis sowohl für künftige Anwendungen als auch für eine systematische Weiterentwicklung bestehender An-wendungen zu legen.

Das Kompetenznetz beinhaltet eine orts- und fachübergrei-fende Kooperation von auf dem Gebiet der Nanotechnologie tätigen Arbeitsgruppen in Baden-Württemberg insbesondere aus den Bereichen der Physik, der Chemie, der Material- und der Ingenieurwissenschaften sowie der Biologie. Dabei ist eine umfassende Kompetenz im Bereich der Funktionellen Nano-strukturen von der chemischen Synthese über physikalische Experimente und Messmethoden sowie theoretische Verfah-ren und Simulationsmethoden bis hin zu anwendungsorien-tierten Untersuchungen gegeben.

Thomas Schimmel1, Hilbert v. Löhneysen2, Matthias Barczewski1, Markus Moosmann1

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Physikalisches Institut

Der Einzelatomtransistor: Elektrische Ströme schalten mit einem einzigen Atom

Mit einem neuartigen Verfahren ist es Karlsruher Wissenschaft-lern erstmals gelungen, einen Transistor auf atomarer Skala zu entwickeln. Durch das gezielte Umlagern einzelner Atome in einem winzigen metallischen Kontakt lässt sich ein elek-trischer Stromkreis kontrolliert öffnen und schließen. Die ato-maren Schalter werden dabei gesteuert durch ein elektrisches Kontroll-Potenzial, das an eine unabhängige dritte Elektrode, die Gate-Elektrode angelegt wird. Beim Einzelatom-Transistor genügt die Umlagerung eines einzigen Silber-Atoms (!), um einen elektrischen Stromkreis zu öffnen und zu schließen. Das Bauelement, das reproduzierbar bei Raumtemperatur funktio-niert, stellt die erstmalige Realisierung eines atomaren Relais bzw. Transistors dar und eröffnet faszinierende Perspektiven für die Gebiete der Quantenelektronik und der Logik-Schal-tungen auf atomarer Skala.

F.-Q. Xie1, F. Wertz1, R. Maul2, W. Wenzel2, G. Schön2,3, F. Evers2, A. Groß4, Th. Schimmel1,2

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik (AP)2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie (INT)3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Theoretische Festkörperphysik4 Universität Ulm, Institut für Theoretische Chemie

KontaktProf. Dr. Th. SchimmelInstitut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • [email protected]. Matthias BarczewskiInstitut für Nanotechnologie und Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggen-stein-Leopoldshafen • [email protected] • www.nanonetz-bw.de


Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Angewandte Physik und Institut für Nanotechnologie • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 •

Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Institut für Angewandte Physik • Wolfgang-Gaede-Straße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel. +49 (0) 721 608-43401 •

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Der Salvinia-Effekt: Perspektiven für bionische Schiffsbeschichtungen

Das Schiff, das auf Luft gleitet Mit einem völlig neuartigen Konzept soll der Energieverbrauch von Schiffen drastisch reduziert werden: Schiffe verbrauchen den größten Teil ihrer Antriebsenergie, um die Reibung zwischen Schiffsrumpf und Wasser zu überwinden. Umgäbe man das Schiff mit einer permanenten Schicht aus Luft, so würde der Energieverbrauch drastisch reduziert. Das entscheidende Pro-blem, wie man nämlich mit einer nanostrukturierten Oberfl ä-che unter Wasser permanent eine Luftschicht halten kann, wurde in jüngster Zeit von uns gelöst. Wir konnten klären, wie der Schwimmfarn Salvinia molesta beim Untertauchen unter Wasser eine Luftschicht dauerhaft hält, und übertrugen den hiermit gefundenen „Salvinia-Effekt“ bereits erfolgreich auf von uns hergestellte künstlich strukturierte, technische Ober-fl ächen. Einige davon sind nun schon seit drei Jahren unter Wasser und halten problemlos die Luftschicht.

Stefan Walheim1,2, Matthias Barczewski1,2, Aaron Kobler2, Daniel Gandyra1,2, Matthias Mail1,2,3, Wilhelm Barthlott3, Thomas Schimmel1,2

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik (AP) 2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie (INT)3 Universität Bonn, Nees-Institut für Biodiversität der Pfl anzen

Einfache Quantenoperationen an molekularen Magneten auf Oberfl ächen

Wir untersuchen die Eigenschaften von magnetischen Mole-külen auf wohldefi nierten Oberfl ächen, um die Wechselwir-kung mit dem Substrat zu verstehen und dadurch die System-eigenschaften gezielt verändern zu können. Die magnetischen Eigenschaften können durch externe Stimuli kontrolliert beein-fl usst werden, so dass es möglich ist, einfache Quantenope-rationen an individuellen Molekülen zu realisieren. Für die An-wendung wurden spezifi sche Moleküle synthetisiert und mit der Rastertunnelmikroskopie auf atomarer Skala spektrosko-pisch charakterisiert. Zwei verschiedene Klassen von magne-tischen Molekülen wurden vermessen. Zum einen wurden orga-nische Komplexe mit einem delokalisierten Spin 1/2 untersucht. Die Messung der Zustandsdichte nahe der Fermienergie als Funktion der Temperatur und des Magnetfeldes zeigt, dass es sich um ein Kondoverhalten (Austauschkopplung zwischen magnetischer Verunreinigung und Substrat) im schwach gekop-pelten Bereich handelt. Dies eröffnete die Möglichkeit, einige theoretische Vorhersagen zum Kondoverhalten zum ersten Mal direkt experimentell zu bestätigen [Nat. Commun. 4, 2110 (2013)]. Zum anderen wurden Spinübergangskomplexe be-handelt, Moleküle die durch externe Stimuli zwischen einem nicht magnetischen und einem magnetischen Zustand hin und her geschaltet werden können. Es war möglich, die Eigen-schaft des Schaltens zwischen den zwei magnetischen Zustän-den auf Oberfl ächen an einzelnen Molekülen allein durch Anle-gen einer Tunnelspannung durchzuführen [Nat. Commun. 3, 938 (2012)].

Uta Schlickum1, Wulf Wulfhekel2, Mario Ruben3

1 Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart2 Karlsruher Institut für Technologie, Physikalisches Institut3 Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Nanotechnologie


KontaktDr. Uta SchlickumMax-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • 70569 Stuttgart • [email protected] für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • 70569 Stuttgart • [email protected] für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 • Max-Planck-Institut für Festkörperforschung • Heisenbergstraße 1 •


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Nanomagnetismus – mikroskopische Analyse neuartiger Nanostrukturen

Magnetische Nanostrukturen mit Dimensionen im Bereich der charakteristischen Wechselwirkungen sind in den letzten Jahren stark ins Interesse gerückt. Dabei bilden sie sowohl als fl exibel gestaltbares Modellsystem zur Untersuchung grund-lagenphysikalischer Fragestellungen als auch für technologi-sche Anwendungen in der Nanoelektronik, wie magnonische Gitter als einstellbare Spinwellenfi lter, eine interessante Platt-form.

Besonders die mikroskopische Analyse dieser magnetischen Nanostrukturen stellt eine Herausforderung dar, ermöglicht aber auch einzigartige Einblicke in das Verhalten dieser Sys-teme und damit die Möglichkeit zur gezielten Beeinfl ussung der magnetischen Eigenschaften. Für diese mikroskopischen Analysen wurden verschiedene Methoden implementiert, modi-fi ziert und weiterentwickelt, um den Anforderungen dieser Untersuchungen gerecht zu werden. Auf der experimentellen Seite sind dies magnetooptische Kerr-Mikroskopie, magneti-sche Rasterkraftmikroskopie und die Rasterröntgenmikroskopie mit magnetischem Kontrast, die demnächst auch für zeitauf-gelöste Experimente genutzt wird. Gleichzeitig stehen moderne Methoden der mikromagnetischen Simulation zur Verfügung, um den experimentellen Ergebnissen ein theoretisches Gerüst zu liefern.

Wir präsentieren hier verschiedene Methoden zur ortsaufge-lösten Charakterisierung magnetischer Eigenschaften auf der Milli- bis Nanometerskala und deren Anwendung auf die Untersuchung hexagonaler, nanoskaliger Lochgitter in mag-netischen Materialien.

Joachim Gräfe1, Felix Haering2, Ulf Wiedwald4, Paul Ziemann2, Andreas Wallucks3, Kristof Lebecki3, Ulrich Nowak3, Eberhard Goering1, Gisela Schütz1

1 Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart2 Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik3 Universität Konstanz, Fachbereich Physik4 Universität Duisburg-Essen, Fakultät für Physik

Zelluläre Kraftwerke: Stromgeneration mit lebenden Zellen auf nanoelektroden-besetzten Oberfl ächen

Nano- und Mikrotechnologie stellen neuartige Verfahren zur Verfügung, um bioinspirierte miniaturisierte Energiequellen zu entwickeln, z. B. zur Stromversorgung von Implantaten. Ziel-setzung des Projekts ist die Entwicklung einer bionischen Energiequelle, basierend auf der Fusion von Zellen mit spezia-lisierten Nanoelektroden, die eine verlustarme Umwandlung von chemischer in elektrische Energie ermöglicht. Das System wird gespeist aus dem elektrochemischen Membranpotential eukaryontischer Zellen oder biotechnologisch hergestellter Lipid-Vesikel [1] (Abb. 1). Als selbst-regenerierende Energiequelle be-sitzen die „bionischen Generatoren“ das Potenzial, bei einem breiten Spektrum von Anwendungen Verwendung zu fi nden, darunter bei selbst-ladenden biokompatiblen Prothesen oder Körperimplantaten, wie z. B. Herz- und Hirnschrittmachern, Cochlea-Implantaten, Insulinpumpen, künstlichen Netzhäuten oder Geräten zur Überwachung von Körperfunktionen.

Joachim P. Spatz1, Amin Rustom1, Hilmar Bading2, C. Peter Bengtson2, Thomas Schimmel3, Stefan Walheim3

1 Max-Planck-Institut für intelligente Systeme (MPI), Stuttgart2 Universität Heidelberg, Institut für Neurobiologie (IZN)3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Physik (AP) und Institut für Nanotechnologie (INT)

KontaktProf. Dr. Gisela SchützMax-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected]


70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 689 1951 • [email protected] für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 • Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme • Heisenbergstraße 3 •


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Mit Virusbausteinen zum Multitasking: Gestreifte Nanosticks und programmierbare Sterne als „intelligente“ Funktionsträger für Materialien der Zukunft

Pfl anzenviren sind Schädlinge mit weltweit steigender Bedeu-tung, aber auch Modellsysteme für Medizin und Biologie sowie Lieferanten neuer Bausteine für Nanotechnik und „intelligente“ Materialien. Sie werden nur an wenigen Standorten molekular erforscht, darunter als einer der größten Deutschlands das Bio-logische Institut der Universität Stuttgart. Dank seiner multiva-lenten, chemisch modifi zierbaren Proteinoberfl ächen ist das hier unter anderem bearbeitete stabile und für Mensch und Tier ungefährliche Tabakmosaikvirus (TMV) ein gefragtes nanotubu-läres Trägergerüst für Enzyme, aktive Peptide oder Fängerstruk-turen für Analyte, aber z. B. auch für Biomineralien, synthetische Materialien, Kontrastmittel und Farbstoffe für elektronische, technische, diagnostische und sensorische Entwicklungen. Nach-dem in Kooperationen bereits Transistoren auf TMV-Basis unter beispiellos milden Bedingungen produziert und magnetviskose Dämpfungsmittel durch TMV-Additive verbessert werden konn-ten, wurden jetzt Enzymgruppen kontrolliert auf benachbarten 100–200 nm langen TMV-Domänen installiert. Durch neue RNA-Template ließ sich die Selbstassemblierung von TMV-Kom-ponenten zu „Stick-Arrays“ auf Wafern und zu Nanostern-Kol-loiden mit extrem großen Oberfl ächen umsteuern. Solche Hybridstrukturen sollen zu vielseitigen Funktionsträgern für komplexe Detektions- und Katalyse-Aufgaben in miniaturi-sierten „Lab-on-a-Chip“-Systemen und „Smart Materials“ wei-terentwickelt werden (siehe auch Poster 2.8).

Christina Wege1, Fabian Eber1, Fania Geiger2, Sabine Eiben1, K. Wabbel1, Holger Jeske1, Sven Degenhard1, Klara Altintoprak1, Anna Müller1, Anan Kadri1, Joachim Spatz2, Alexander Bittner3, Stefan Walheim4, Thomas Schimmel4, Zhenyu Wu5, Carl E. Krill III5, Jörg J. Schneider6, Joachim Bill7, Petia Atanasova7, Carlos Azucena8, Hartmut Gliemann8

1 Universität Stuttgart, Biologisches Institut2 Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart3 CIC NanoGUNE, Donostia-San Sebastian, Spanien4 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Nanotechnologie5 Universität Ulm, Institut für Mikro- und Nanomaterialien6 Technische Universität Darmstadt, Anorganische Chemie7 Universität Stuttgart, Institut für Materialwissenschaften8 Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Funktionelle Grenzfl ächen

Nanoelectrochemistry on bimetallic electrodes: Infl uence of dimensionality and structure

The (electro-)chemical properties of (bi-)metallic catalysts change when moving towards nanoscale systems, where the dimensionality of the nanostructures plays an important role, besides its composition and atom distribution in the surface and the bulk.

In this combined experimental and theoretical work we inves-tigate well defi ned bimetallic nanostructures with different composition and dimensionality serving as model system, to disentangle the different effects contributing to the (electro-)catalytic activity of a real catalyst. This is illustrated with two complimentary systems, including Pt as active transition metal in combination with either Ru or Au. By varying the alloy com-position, we can tune ligand, ensemble and strain effects (size mismatch of the atoms) which have been shown to contribute primarily to the electrochemical properties of bimetallic systems. The model systems, including structures of different dimensionality such as nanoparticles grown on different supports (0-D structures) or planar alloy systems (2-D struc-tures), are prepared in parallel. The surface structures are in-vestigated in detail by a variety of microscopic and spectro-scopic surface science methods and are subsequently tested with respect to their electrochemical/-catalytic activity. Struc-tural and chemical properties are furthermore explored by fi rst principles investigations.

The results from the fundamental questions raised in this pro-ject are crucial to answer more complex questions in various applications, such as catalyst design in fuel cell technology.

Rolf Jürgen Behm1, Axel Groß2, Christof Wöll3, Stephan Beckord1, Albert K. Engstfeld1, Jan Kucera2, Peter Lindemann3

1 Universität Ulm, Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse2 Universität Ulm, Institut für Theoretische Chemie 3 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für funktionelle Grenzfl ächen (IFG)

KontaktProf. Dr. R. J. BehmInstitut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Albert-Einstein-Allee 47 • 89081 UlmProf. Dr. A. GroßInstitut für Theoretische Chemie • Universität Ulm • Albert Einstein-Allee 11 • 89081 UlmProf. Dr. C. WöllInstitut für Funktionelle Grenzfl ächen • Karlsruher Institut für Technologie/Campus Nord • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein-Leo-poldshafen

KontaktProf. Dr. Christina WegeProf. Dr. Holger JeskeBiologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-gart • Tel +49 (0) 711 68565073 • [email protected] Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-Biologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-Biologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-Biologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-Biologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-Biologisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stutt-

Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm • Institut für Oberfl ächenchemie und Katalyse • Universität Ulm •

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Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy on a (5 nm)3 sample volume

Farbzentren in Diamant lassen sich als atomar kleine Magnet-feldsensoren verwenden, die bereits in naher Zukunft Mag-netfelder einzelner Moleküle sichtbar machen könnten. Als wich-tigen Schritt in diese Richtung haben wir kürzlich gezeigt, dass ein einzelnes Farbzentrum in der Lage ist, Kernspinsignale eines nur (5nm)3 kleinen Probenvolumens nachzuweisen.

Wir verwendeten hierfür ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum). Diese atomar kleine Fehlstelle im Diamant-gitter besitzt einen stabilen Elektronenspin, der sich optisch auslesen und präparieren lässt. Durch geschickte Spektrosko-pie dieses Spins mit Mikrowellenstrahlung lässt sich ein ein-zelnes Zentrum als Magnetfeldsensor verwenden. Baut man ein Zentrum wenige Nanometer unterhalb der Oberfl äche in das Diamantgitter ein, kann es das Magnetfeld der Kernspins in organischen Proben auf der Oberfl äche nachweisen. Dieses Resultat lässt es möglich erscheinen, in Zukunft Kernspinspek-troskopie und –Bildgebung an einzelnen Molekülen zu realisie-ren.

Darüber hinaus lässt sich ein solch atomar kleiner Magnetfeld-sensor als neuartiger Tastkopf für Rastersondenmikroskope einsetzen, der nicht nur Höhenprofi le, sondern Magnetfeldkar-ten Nanometer kleiner Strukturen aufnehmen könnte. Eine mögliche Anwendung ist hier die Kalibration von Lese-/Schreib-köpfen für Festplatten.

Abb. 1 – Computervisualisierung des Experiments. Ein Farbzen-trum unter der Oberfl äche eines Diamantkristalls detektiert das Kernspinsignal eines wenige Nanometer großen Proben-volumens auf der Oberfl äche.

Tobias Staudacher1, Thomas Häberle1, Dominik Schmid-Lorch1, Julia Tisler1, Thomas Oeckinghaus1, Friedemann Reinhard1, Jörg Wrachtrup1, Christoph Nebel2

1 Universität Stuttgart, 3. Physikalisches Institut und Forschungszentrum SCoPE2 Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, Freiburg

Spintronics at room temperature – electroluminescence of single defects and spin dependent charge transport

With the continued down-scaling of semiconductor electron-ics, the number of dopant atoms in electronic circuit elements, such as FETs or LEDs is approaching ~1–10 atoms. At this level, the quantum properties of individual dopant atoms determine the functionality of the device. This opens new opportunities for solid state quantum devices.

Single dopants in diamond are a particularly promising system 1) due to the large bandgap (5.5 eV), the electronic states of dopants are strongly localized and well protected from the en-vironment, 2) due to the extraordinary hardness of diamond, interactions with phonons (lattice vibrations) are very weak, and 3) because artifi cial diamond can be grown with high isotope purity (99.999 % 12C) providing an (almost) nuclear-spin free lattice, which minimizes nuclear-spin induced deco-herence. This work focuses on a single dopant LED and elec-tric readout of a spin qubit.

Helmut Fedder1, Hiromitsu Kato2, Marco Wolfer3, Christoph Schreyvogel3, Michael Kunzer3, Sang-Yun Lee1, Mathias Widmann1, Torsten Rendler1, Christoph Nebel3, Oliver Ambacher3,4, Jörg Wrachtrup1

1 Universität Stuttgart, 3. Physikalisches Institut2 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan3 Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik, Freiburg4 Universität Freiburg, IMTEK

KontaktProf. Dr. Jörg Wrachtrup3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]. rer. nat. Helmut Fedder3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 60392 • [email protected]

70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 3. Physikalisches Institut • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 65278 • [email protected]

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Biofunktionalisierung und Nanostrukturierung von GaAs für den Einsatz im MIR-Mach-Zehnder-Interferometer

Ziel der vorgestellten Arbeit ist der Einsatz eines Mach-Zehn-der-Interferometers (MZI) im mittleren Infrarot (MIR) basierend auf on-chip GaAs/AlGaAs Halbleiterlichtwellenleitern. Die grö-ßere Eindringtiefe des evaneszenten Feldes im MIR ermöglicht den „Einblick“ in größere Strukturen (Bakterien). In Kombina-tion mit durch Edelmetall nanostrukturierten Oberfl ächen führt dies zu einer IR-Signalverstärkung (surface enhanced infrared abosorption; SEIRA) und damit zur Verbesserung der Nachweis-grenze bei der markierungsfreien Detektion von Biomolekülen. MIR-Fingerprints liefern zusätzlich Informationen zur Identifi -kation von Analyten.

Es wird zunächst eine geeignete Strategie für die chemische Anbindung von Edelmetallnanopartikeln an GaAs-Oberfl ächen vorgestellt. Um MIR-MZIs für bioanalytische Anwendungen nutzbar zu machen, wird die Immobilisierung molekularer Er-kennungsstrukturen auf diesen Oberfl ächen präsentiert. Die modifi zierten Oberfl ächen wurden mittels Rasterkraftmikros-kopie, Dunkelfeldmikroskopie sowie Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Zusätzlich wurden Messungen mit einer modi-fi zierten Version der Refl ektometrischen Interferenzspektros-kopie (RIfS) durchgeführt, wodurch die Immobilisierung von Gold-Nanopartikeln auf modifi ziertem GaAs sowie die bio-molekulare Wechselwirkung eines Antikörpers mit einem auf GaAs immobilisierten Antigen zeitaufgelöst verfolgt werden konnten. Mittels RIfS etablierte Assays auf GaAs erlauben die Übertragung auf die on-chip GaAs/AlGaAs Halbleiterlicht-wellenleiter im MIR-Messaufbau.

Melanie Ewald, Lothar Leidner, Günter Gauglitz

Universität Tübingen, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie

KontaktMelanie EwaldInstitut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • [email protected] der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Institut für Physikalische und Theoretische Chemie • Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 18 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 2974667 •

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Posterausstellung: Umwelttechnologieforschung

2.3Umwelttechnologie-forschung

The joint project MikroSol focuses on electrical and micro-structure properties of front side silver contacts for industrial solar cells. Special attention is given to the specifi c contact resistance of these metal-semiconductor contacts as well as metallization-induced recombination losses in the emitter and in the space charge region of the solar cell. Differently pro-cessed industrial solar cells were characterized by electrical measurements as well as analytical electron microscopy includ-ing quantitative chemical analyses. The microstructure of these contacts was studied over a large range of length scales from several tens of microns down to a few nanometers. Dis-tinct differences were found for the specifi c contact resistance depending on the screen printing paste and the peak fi ring temperature applied. Microstructural analyses revealed a con-tinuous wetting layer for pastes yielding lower contact resis-tances. Focused ion beam tomography confi rmed the presence of a continuous wetting layer over distances of several microns and revealed new insights about the morphology of front side silver contacts on alkaline textured surfaces. Furthermore, varying densities of nano silver colloids were identifi ed in the continuous glass layer and these colloids were studied by (high-resolution) electron microscopy. Actual tasks focus on contact modelling based on the results of macroscopical electrical char-acterization in combination with the insights of the microstruc-ture analyses.

Microstructure analysis and process technology for highly effi cient solar cell contacts – Aims & results of the project MikroSol

Rene Hoenig1, Michael Duerrschnabel2, Willem van Mierlo3, Florian Clement1, Zainul Aabdin2, Joerg Bernhard3, Johannes Biskupek3, Oliver Eibl2, Ute Kaiser3, Daniel Biro1

1 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg2 University of Tuebingen, Electron Microscopy and Applied Material Sciences 3 University of Ulm, Electron Microscopy Group of Materials Science

KontaktDr.-Ing. Daniel BiroAbteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Tel +49 (0) 761 4588 5246 • [email protected] PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Tel +49 (0) 761 4588 5246 • [email protected] PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg •

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MikroSol – Qualitative and quantitative analyses of the interfacial micro-/nanostructure and phase formation

The joint project MikroSol focuses on electrical and micro-structure properties of front side silver contacts for industrial solar cells. Special attention is given to the specifi c contact resistance of these metal-semiconductor contacts as well as metallization-induced recombination losses in the emitter and in the space charge region of the solar cell. Differently pro-cessed industrial solar cells were characterized by electrical measurements as well as analytical electron microscopy includ-ing quantitative chemical analyses. The microstructure of these contacts was studied over a large range of length scales from several tens of microns down to a few nanometers. Dis-tinct differences were found for the specifi c contact resistance depending on the screen printing paste and the peak fi ring temperature applied. Microstructural analyses revealed a con-tinuous wetting layer for pastes yielding lower contact resis-tances. Focused ion beam tomography confi rmed the presence of a continuous wetting layer over distances of several microns and revealed new insights about the morphology of front side silver contacts on alkaline textured surfaces. Furthermore, varying densities of nano silver colloids were identifi ed in the continuous glass layer and these colloids were studied by (high-resolution) electron microscopy. Actual tasks focus on contact modelling based on the results of macroscopical electrical char-acterization in combination with the insights of the microstruc-ture analyses.

Rene Hoenig1, Michael Duerrschnabel2, Willem van Mierlo3, Florian Clement1, Zainul Aabdin2, Joerg Bernhard3, Johannes Biskupek3, Oliver Eibl2, Ute Kaiser3, Daniel Biro1

1 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg2 University of Tuebingen, Electron Microscopy and Applied Material Sciences 3 University of Ulm, Electron Microscopy Group of Materials Science

Recovery of Phosphate with Magnetically Separable Particles

Phosphorus is needed by every living organism, and it is a non-substitutable element. This also means that there are no sub-stitutes for phosphorus in agriculture (fertilizers). However, the reserves of easily mineable and low-polluted phosphate rock ore are projected to last for only about 90 years. There-fore, methods to recover phosphate from secondary sources have to be developed. With approximately 60,000 t P/a (Ger-many) municipal wastewater has the highest potential for the recovery of phosphate. In this project, a novel process is inves-tigated to achieve phosphate recovery from wastewater with engineered magnetic particles. These particles feature a chemi-cally modifi ed surface which can adsorb phosphate in a highly selective way. After the particles have been dispersed in waste-water and phosphate adsorption has been completed, they can conveniently be extracted from the wastewater via magnetic separation. Chemical regeneration of the particles allows their multiple reuse. The phosphate itself is recovered in high con-centration from the particle regeneration solution.

Asya Drenkova-Tuhtan1, Karl Mandel2,3, Anja Paulus4, Carsten Meyer1, Frank Hutter2, Carsten Gellermann2, Gerhard Sextl2,3, Heidrun Steinmetz1, Denis Horn4, Stefanie Bunzel4

1 University of Stuttgart, Institute for Sanitary Engineering2 Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC, Würzburg3 University of Würzburg, Chair of Chemical Technology of Materials Synthesis4 Fraunhofer Institute for Technology and Innovation Management IAO, Stuttgart

KontaktDr.-Ing. Daniel BiroAbteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Tel +49 (0) 761 4588 5246 • [email protected]

KontaktKarl Mandel, M.Sc. Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Tel +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Tel +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Tel +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Tel +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] +49 (0) 931 4100-945 • [email protected] Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Fraunhofer Institute for Silicate Research, ISC • Neunerplatz 2 • 97082 Würzburg • Tel +49 (0) 931 4100-945 • [email protected]

Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Tel +49 (0) 761 4588 5246 • [email protected] PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg • Abteilung PTQ • Fraunhofer ISE • Heidenhofstraße 2 • 79100 Freiburg •

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Top Spin – Laserfertigung kleinster Mikrodurchbrüche zur umweltfreundlichen Herstellung von Supermikrofasern

Im Rahmen des Forschungsprogramms „Umwelttechnologie-forschung“ der Baden-Württemberg Stiftung wurden erst-mals Spinndüsen mit Laser-gefertigten Mikrobohrungen bis zu 25 µm im Durchmesser hergestellt, mit denen im Nass-spinnverfahren auf der Basis von Cellulose-2,5-Acetat Super-mikrofasern mit Filamentfeinheiten von 0,2 dtex (0,2 g pro 10 km) gesponnen werden konnten. Die Herstellung solcher Supermikrofasern erfordert Mikrobohrungen mit geringer Rundheitsabweichung, geringer Schmelzablagerung und ho-her Reproduzierbarkeit bzgl. der Querschnittsfl äche der Extru-sionsöffnung. Um diese Anforderungen erreichen zu können, wurden die Mikrobohrungen nach dem Wendelbohrverfah-ren gefertigt. Dabei wird der Laserstrahl mit Hilfe einer speziel-len Bohroptik auf eine Kreisbahn gelenkt, so dass der Laser-strahl spiralförmig durch das Material geführt wird. Zur Ferti-gung der Mikrobohrungen wurde ein Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern von wenigen Pikosekunden und einer Wellenlänge von 532 nm verwendet. Dadurch konnten 2000 Mikrobohrun-gen in einem Spinndüsenrohling aus AuPt der Stärke 240 µm gefertigt werden. Der Extrusionsdurchmesser der Mikroboh-rungen lag hier bei 25,3 µm (Standardabweichung 1,2 %), die Extrusionsquerschnittsfl äche bei 505 µm2 (Standardabwei-chung 2,5 %) und die Rundheitsabweichung bei 5,5 %.

Anne Feuer1, Martin Kraus2, Rudolf Weber1, Thomas Graf1, Denis Ingildeev3, Frank Hermanutz3

1 Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW)2 Robert Bosch GmbH, Stuttgart 3 Institut für Textilchemie und Chemiefasern (ITCF,)Denkendorf

Mikrobielle Brennstoffzellen: Innovative Ansätze und Technologien für die regenerative Elektrizitätsgewinnung aus Abwasser

In mikrobiellen Brennstoffzellen katalysieren exoelektrogene Mikroorganismen die Oxidation organischer Komponenten des Abwassers und übertragen die dabei gewonnenen Elek-tronen auf eine Anode. Im Zusammenspiel mit einer Kathode kann so während der Abwasserreinigung elektrische Energie gewonnen werden. Die mikrobielle Brennstoffzelle ist dabei als additive Technologie zur Erhöhung des energetischen Ver-wertungsgrades des Abwassers zu sehen und soll zunächst ergänzend zur Methanentwicklung im Faulturm angewandt werden. Zielsetzung des Projektes ist die Entwicklung einer leistungsfähigen mikrobiellen Brennstoffzelle zur regenerati-ven Elektrizitätsgewinnung aus kommunalem Abwasser. Da-bei liegt der Fokus des Forschungsvorhabens auf der gezielten Entwicklung von Materialien und Verfahren zur Optimierung der Reaktionsabläufe.

Kerstin Dolch1, Joana Danzer2, Sven Kerzenmacher2, Johannes Gescher1

1 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Angewandte Biowissenschaften 2 Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)

KontaktAnne FeuerInstitut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Johannes Gescher Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • johannes.gescher@kit edu Dr. Sven Kerzenmacher Institut für Mikrosystemtechnik • Universität Freiburg • Georges-Koehler-Allee 103 •79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 20373218 • [email protected]

logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-Institut für Angewandte Biowissenschaften • Karlsruher Institut für Techno-logie • Fritz-Haber-Weg 2 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60841940 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected]

Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected] für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • Institut für Strahlwerkzeuge • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 43 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 68567882 • [email protected]

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Thermoplastic Materials from Renewable Resources with Complete Feedstock UtilizationNeue thermoelektrische Systeme für die energieeffi zente Auslegung und Kontrolle chemischer Prozesse

A utilization of renewable resources ideally takes advantage of their unique molecular structure, rather than only using them as a replacement for petrochemicals. Thus, the proper-ties of novel materials from renewables can refl ect the feed-stock molecular structure. Fatty acids are attractive substrates in this regard, as the long-chain methylene sequences can provide crystallinity. However, this requires their complete linear incorporation into �,�-terminally difunctionalized monomers as building blocks for polymers.

This challenge is met by isomerizing alkoxycarbonylation, an unusual reaction which selectively converts the internal double bond of unsaturated fatty acids to a terminal ester group. Here-by, �,�-diesters are formed in polycondesation grade purity (> 99.5 %). Technical plant oils can be employed as a substrate, without prior separation of the different fatty acids present. Polyesters generated from the �,�-diesters as monomer buil-ding blocks possess useful mechanical properties, and their thermal properties are compatible with thermoplastic process-ing. Due to their hydrophobicity and crystallinity, such long-chain polycondensates can be subject to a desirable slow hydrolytic degradation in the environment, e.g. marine envi-ronments. Novel catalyst structures were already identifi ed which rival the existing catalyst system in performance. This shows that the latter is not unique as assumed so far, and provides leads for further advanced catalysts.

Die Realisierung einer hohen Produktqualität bei einer opti-malen Nutzung von Anlagen, Rohstoffen und Energie erfordert eine hohe Informationsdichte über den jeweiligen chemischen Prozess. Mit bisherigen Prozesssensorik-Konzepten ist diese Informationsdichte i. d. R. nicht zu erreichen, da die kabelge-bundene Stromversorgung und Datenkommunikation in der Praxis zu entsprechenden Anwendungseinschränkungen füh-ren. Die Nutzung der Prozesswärme bzw. -abwärme chemischer Prozesse mittels thermoelektrischer Wandler für eine energie-autarke Versorgung ihrer Feldgeräte (Sensoren, Stellglieder, Motoren etc.) ermöglicht einen kabellosen Betrieb für die Ener-gieversorgung und Datenkommunikation. Darüber hinaus kann das anfallende Wärmefl usssignal auch für eine nachhal-tige Instandhaltung zur Vermeidung sehr kostspieliger An-lagenstillstände genutzt werden.

Für die Sicherstellung einer breiten Anwendbarkeit innerhalb der chemischen Prozessindustrie müssen Fertigungstechno-logien für thermoelektrische Module entwickelt werden, die nicht nur für eine kostengünstige Massenproduktion geeig-net sind, sondern auch die Fertigung mechanisch fl exibler (bieg- und formbarer) Module ermöglichen, die an die chemischen Prozesse adaptiert werden können. Ein Lösungsansatz im Pro-jekt ist es, auf Basis von Bismuttellurid-Nanopartikeln eine druckbare Thermoelektrik zu entwickeln, durch die eine kosten-günstige und effi ziente Fertigung auch großfl ächiger thermo-elektrischer Module erst ermöglicht wird.

Stefan Löbbecke1, Jürgen Antes1, Harald Hillebrecht2, Uwe Pelz2, Katrin Kaspar2, Martin Jaegle3, Karina R. Tarantik3, Angela Pfaadt3, Peter Woias4, Reinhard Roth4, Keith Cobry4

1 Fraunhofer Institut für Chemische Technologie ICT, Pfi nztal2 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Anorganische Chemie3 Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik IPM4 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik

Josefi ne T. Christl1, Philipp Roesle1, Florian Stempfl e1, Benjamin Ritter2, Philipp Wucher1,Ilona Heckler1, Inigo Göttker-Schnetmann1, Gerhard Müller1, Rolf Mülhaupt2, Lucia Caporaso3, Stefan Mecking1

1 University of Konstanz, Department of Chemistry2 Alert-Ludwigs University Freiburg, Institut für Makromolekulare Chemie3 University of Salerno, Department of Chemistry, Italy

KontaktDr. Stefan LöbbeckeFraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Tel +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] AntesFraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Tel +49 (0) 721 4640-340 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Stefan MeckingLehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • [email protected]ät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-Lehrstuhl für Chemische Materialwissenschaft • Fachbereich Chemie • Universi-tät Konstanz • Universitätsstraße 10 • 78457 Konstanz • Tel +49 (0) 7531 88-5151 • Tel +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] +49 (0) 721 4640-230 • [email protected]

Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Tel +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Tel +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Tel +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] +49 (0) 721 4640-230 • [email protected] ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) • Fraunhofer ICT • Joseph-von-Fraunhoferstraße 7 • 76327 Pfi nztal (Berghausen) •

101100

Im Projekt „Energieoptimierung von Förder-, Lager- und Hand-habungstechniken in Intralogistiksystemen mittels Energie-Lebenszyklus-Kosten-Bilanzen“ (ELKoB) wird eine Methodik zur Bewertung der Energieeffi zienz von Intralogistikressour-cen, bspw. von Stetigförderern, entwickelt. Im Fokus liegt die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen dem Energie-bedarf, den Nutzungsbedingungen, den zeitlichen Einfl üssen und den erzeugten Kosten. Es wird hierfür ein Vorgehensmo-dell erstellt, um intralogistische Ressourcen abzugrenzen, zu analysieren und hinsichtlich der Energieeffi zienz zu bewerten und zu optimieren. Zur Analyse des Einfl usses von Nutzungs- und Verschleißgrößen auf den Energiebedarf wurde am Insti-tut für Fördertechnik und Logistik (IFT) ein Versuchsstand mit Stetigfördertechnik aufgebaut, um in Dauerversuchsreihen tiefergehende Erkenntnisse über die Wirkung von Energie-effi zienzmaßnahmen zu erzielen. Neben der Erfassung und Analyse von realen Energieverbrauchsdaten wird innerhalb des Projekts durch das Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) ein Simulationsmodell erstellt, mit dem der Energiebedarf von Intralogistikressourcen in Abhängigkeit der Nutzung prognostiziert werden kann. Die gewonnenen Er-kenntnisse werden in der Betriebsphase zur energiewirtschaft-lichen Optimierung von Instandhaltungsmaßnahmen (Wartung, Inspektion, Instandhaltung) genutzt. Dabei dient die Lebens-zykluskostenrechnung als Bewertungsmethode für den Einsatz der Energieeffi zienzmaßnahmen.

Die Synthese von Benzin aus biomassestämmigem Dimethyl-ether (DME) ist ein zeolithkatalysiertes Verfahren mit zukünf-tigem Anwendungspotenzial [1] und Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten am Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT). In diesem Verfahren als Teil der sogenann-ten bioliq®-Prozesskette wird, nachfolgend zum Konversions-schritt, bei dem zunächst DME aus Synthesegas (2 CO + 4 H2 ¶ CH3OCH3 + H2O) erzeugt wird, der DME mit Hilfe eines modi-fi zierten H-ZSM-5 zu höheren Kohlenwasserstoffen umgewan-delt. Bei diesem Verfahren sollen Kohlenwasserstoffgemische erzeugt werden, welche die Anforderungen für ein maßge-schneidertes Benzin, z. B. nach DIN EN228, erfüllen. Dieses steht im Kontext des von der deutschen Bundesregierung im Jahr 2012 beschlossenen Energiekonzeptes [2], das den Wandel im Verkehrssektor hin zu einem verstärkten Einsatz biogener und alternativer Kraftstoffe fordert. Wesentliche Voraussetzung für den Verfahrensschritt der DME-Konversion zu Benzin ist die Zugänglichkeit der aktiven Zentren im Inneren der mikropo-rösen Zeolith-Struktur. ZSM-5-Katalysatoren mit kombinierter mikro- und meso-poröser Struktur (hierarchischer Zeolith) sind hierfür besonders gut geeignet, da sie eine effi ziente Nutzung der aktiven Zentren bei kleinem Thiele-Modul ermöglichen. Die Reduzierung von Diffusionslimitierungen und Diffusionswe-gen sind daher zentrale Kriterien in der Katalysatorentwicklung und haben auch Einfl uss auf die Produktselektivität und Stand-zeit des Katalysators.

[1] M. Zimmermann, T. N. Otto, E. Dinjus, J. Sauer, The role of modifi ed zeolites (H-ZSM-5) in gasoline synthesis via dime-thylether, Tagungsband der 25.Deutschen Zeolithentagung in Hamburg (6-8 März 2013)

[2] http://www.bmwi.de/DE/Themen/Energie/Energiepolitik/energiekonzept.html (Stand 12.03.2013)

M. Zimmermann, Th. N. Otto, F. Meseck, B. Powietzka, D. Neumann-Walter, E. Dinjus

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT)

Karl-Heinz Wehking1, Peter Göhner2, Alexander Hoppe1, Reem Kadadihi2

1 Universität Stuttgart, Institut für Fördertechnik und Logistik (IFT)2 Universität Stuttgart, Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS)


Forschungsprojekt ELKoB – Optimierung der Energieeffi zienz von Intralogistikressourcen Heterogen katalysierte Umwandlung von Dimethylether zu Kraftstoff an hierarchischen Zeolithen

KontaktThomas [email protected]

KontaktProf. Dr.-Ing. Dr. h. c. K.-H. WehkingInstitut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] +49 (0) 711 685-83770 • [email protected] für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Institut für Fördertechnik und Logistik • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-83770 • [email protected]

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Posterausstellung: Informations- und Kommunikationstechnologie

2.4Informations- und Kommunikationstechnologie

After teleoperated mobile systems have travelled to Mars and became ubiquitous in military operations the near future might fi nally see their civil application in industrial environments. Especially inspection and maintenance seem to be promising applications. This assumption is based on experiences gath-ered in previous projects. Already in 2005 we deployed the pro-totype of a mobile inspection robot on an off-shore oil-rig. The combination of a profi table business and a dangerous working environment make such off-shore installations a promising application of mobile service robots. Yet, the inspection robot did not enter regular service. It appeared that a permanently supervised system was far more appropriate.

Teleoperation is a valiant approach to overcome these hurdles. This is because not only the salary of the employees in process plants have to be taken into account but also the costs e.g. for transportation, lodging, food or special clothing. Within the ImRoNet project we investigated different approaches towards teleoperation and telepresence. In consequence an intuitive operation seemed to us as a crucial prerequisite for the suc-cessful deployment of teleoperated robots in civil applications.

Within the ATLAS project we did addressed major hindrances and possible remedies for the deployment of teleoperated mobile robots in industrial environments. Specifi cally, concepts for the seamless integration of mobile robots into industrial infrastructures, for intuitive feedback and control of such robots as well as advanced user-interfaces have been worked out. We investigated in what way this multi-modal approach promises to signifi cantly improve the usability of teleoperated robots for industrial applications. The combination of all these methods does in fact make teleoperation of a 16+ degrees-of-freedom robot as easy as child’s play.

Felix Meßmer1, Georg Arbeiter1, Simon Notheis2, Michael Mende2, Björn Hein2, Christian Connette1, Heinz Wörn2

1 Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA), Stuttgart2 Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Process Control and Robotics (IPR)

ATLAS – Approaching intuitive Teleoperation

KontaktProf. Dr.-Ing. Björn HeinInstitute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • [email protected]. Christian ConnetteFraunhofer Institute for Manufactuiring Engineering and Automation (IPA) • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970 1325 • [email protected]

logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 • Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-Institute for Process Control and Robotics (IPR) • Karlsruhe Institute of Techno-logy (KIT) • Engler-Bunte-Ring 8 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 48935 •

105104

Bestehende Produktionseinrichtungen weisen große Poten-ziale beim effi zienten Einsatz von Energie auf. Kurzfristig um-setzbar sind Maßnahmen zur betriebspunktgenauen Dimen-sionierung von Antrieben, die üblicherweise mit unnötig hohen Leistungsreserven ausgelegt sind, und dadurch im ineffi zien-ten Teillastbereich betrieben werden. Ein weiteres großes Po-tenzial bei der energieeffi zienten Nutzung von Produktions-anlagen besteht in einer energieoptimierten Fahrweise, die Leerlaufzeiten vermeidet.

Für beide Maßnahmen fehlen Werkzeuge zur Entscheidungs-unterstützung im täglichen Einsatz, die Konstrukteuren und Produktionsplanern eine betriebspunktgenaue Dimensionie-rung von Produktionsanlagen ermöglichen, und die Disponen-ten und Werkern eine kurzfristige Planung der Maschinenbe-legung für eine energieoptimierte Fahrweise ermöglichen.

Ziel des geplanten Vorhabens ist die Erschließung von Energie-einsparpotenzialen durch IT-basierte Maßnahmen, die sich insbesondere bei bestehenden Anlagen mit vergleichsweise geringem Aufwand implementieren lassen. Dazu werden mobile Software-Assistenten entwickelt, die den Anwendern Handlungsempfehlungen für die energieeffi ziente Auslegung, die Nachrüstung und den Betrieb bieten. Grundlage der Assis-tenten ist eine zu entwickelnde verteilte, dienstorientierte Integrationsplattform, die aus verteilten Systemen Informa-tionen zusammenführt, auswertet und mit einem Mittei-lungsdienst dann an alle teilnehmenden, mobilen und lokalen Assistenten versendet.

Stefan Gerlach, Sebastian Schlund, Uwe Laufs, Christopher Ruff

Universität Stuttgart, Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement (IAT)


ASSIEFF – Assistenzsysteme für die auftragsbezogene, energieeffi ziente Produktion

Das Forschungsprojekt Effi Pro befasst sich mit der Rekonfi gu-rationsplanung in Fertigungssystemen mit Transferzentren. In der Großserienproduktion der Automobil- und Kfz-Zuliefer-industrie haben die verschärften Rahmenbedingungen zum Aufkommen dieses Maschinentyps geführt. Transferzentren sind Sonderwerkzeugmaschinen, die eine inverse Kinematik (Werkzeuge stehen fest, Werkstück wird bewegt) besitzen. Durch die Integrations- und Rekonfi gurationsmöglichkeiten unter-schiedlichster Mehrspindelköpfe in diese Maschinen hat sich die Flexibilität stark erhöht. Gleichzeitig ist jedoch die Kom-plexität der Technologieplanung auf Grund der vielen Freiheits-grade überproportional gestiegen.

Ziel des Projekts war es, die Komplexität der Fertigungssystem-planung von Fertigungslinien bestehend aus Transferzentren durch den Einsatz eines Softwareagentensystems beherrschbar zu machen. Softwareagenten sind autonome Softwareein-heiten, die defi nierte Ziele verfolgen und dazu miteinander kommunizieren bzw. kooperieren können. Dazu wurde ein Konzept zur wissensbasierten Konfi guration von Transferzen-tren entwickelt und am Beispiel von Anwendungsfällen soft-waretechnisch umgesetzt. Das entstandene Planungstool ELA ist in der Lage, Fertigungslinien, aufgebaut aus Transferzen-tren, zu planen und die Maschinen zu konfi gurieren. Eine Simu-lation mit integrierter Kollisionsprüfung stellt sicher, dass das Planungsergebnis in der Realität umgesetzt werden kann.

Michael Rauscher1, Alexander Bader2, Peter Göhner1, Uwe Heisel2, Thomas Stehle2

1 Universität Stuttgart, Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik2 Universität Stuttgart, Institut für Werkzeugmaschinen

Effi zienzsteigerung in der Produktion durch agentenbasierte Fertigungssystemplanung

KontaktDr.-Ing. Sebastian SchlundInstitut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 • [email protected]

KontaktMichael RauscherInstitut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • [email protected] BaderInstitut für Werkzeugmaschinen • Universität Stuttgart • Holzgartenstraße 17 • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-61863 • [email protected]

Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Institut für Automatisierungs- und Softwaretechnik • Universität Stuttgart • Pfaffenwaldring 47 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685-67292 • Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 • Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 •

Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 • Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 • Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 • Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement • Universität Stuttgart • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 970-2065 •

107106

Die zunehmende Dynamik und Unsicherheit durch kürzer wer-dende Konjunktur- und Technologiezyklen stellt enorme Her-ausforderungen an die strategische Produktionsplanung. Zu-sätzlich müssen heute die Chancen und Risiken durch die komplexe Arbeitsverteilung in globalen Produktionsnetzwer-ken in der Fabrikplanung integrativ berücksichtigt werden, um ein Optimum zu ermöglichen. Im Projekt Efi stO der Baden-Württemberg Stiftung wurde durch die Kombination eines Warteschlangenmodells mit einer stochastischen, dynamischen Optimierung ein innovativer Ansatz zur integrierten Kapazi-täts- und Investitionsplanung über volatile Planungshorizonte aufgestellt. Zielkriterium ist die Minimierung der erwarteten Ausgaben über mehrjährige Planungszeiträume durch Anpas-sungen in den Ausprägungen einzelner Produktionsprozesse. Die alternativen Ausprägungen unterscheiden sich in der Regel hinsichtlich Technologien und Standorten. Die Methode wur-de bei zwei Automobilzulieferern erfolgreich angewendet und konnte Handlungsempfehlungen für jeden Planungszeit-punkt über einen 3-5 jährigen Horizont ermitteln.

Steven Peters, Gisela Lanza

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Produktionstechnik (wbk)


Dynamische Kapazitäts- und Investitionsplanung von Produktionssystemen: Efi stO

Der Prozess der Fabrik- und Anlagenplanung ist komplex und besteht aus vielen, meist sequentiellen Planungsschritten mit vielen verschiedenen Beteiligten, z. B. Fabrik- und Gebäude-planer, Prozess- und Anlagenplaner. Die Ingenieure und Planer arbeiten größtenteils räumlich und technisch voneinander getrennt und setzen konventionelle Medien ein, z. B. Pläne auf Papier. Obwohl die Disziplinen das gleiche Planungsobjekt, das Produktionssystem, bearbeiten, werden zwischen den Tools Informationen nur teilweise oder gar nicht ausgetauscht. Die Personen stimmen sich meist – falls und wenn nötig – münd-lich ab. Dieser Bruch macht den interdisziplinären Abstim-mungsprozess ineffi zient, aufwändig und fehleranfällig. Um Kommunikation und Planung an einem gemeinsamen Medium zu verbessern, hat das Fraunhofer IOSB gemeinsam mit dem KIT den Digitalen Engineering-Tisch (DigET) entwickelt.

Am DigET können die Planer mit Hilfe einer interaktiven Umge-bung Planungsszenarien für alle Disziplinen konsistent beleuch-ten und zudem intuitiv mit den IT-Werkzeugen interagieren. Er kombiniert hierfür das durchgängige und standardisierte Datenformat AutomationML mit Assistenzmechanismen und einer interaktiven Umgebung. So wird die domänenübergrei-fende Zusammenarbeit gefördert und der elektronische In-formationsaustausch- und Änderungsprozess wird mit Hilfe der verbesserten menschlichen Kollaboration unterstützt.

Sebastian Maier1, Jan Hendrik Hammer2, Miriam Schleipen1, Thomas Usländer1

1 Fraunhofer Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB), Karlsruhe2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Lehrstuhl für Interaktive Echtzeitsysteme

Digitaler Engineering Tisch – ein interaktives Assistenzsystem für Multi-User-Engineering

KontaktDr.-Ing. Steven PetersKIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 4 2444 • [email protected]

KontaktDr.-Ing. Thomas UsländerFraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhoferstraße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • thomas.uslä[email protected]ße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • Fraunhoferstraße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhoferstraße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhoferstraße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhoferstraße 1 • 76131 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 6091-480 • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik • Fraunhofer IOSB • Abteilung Informationsmanagement und Leittechnik •

KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 608 4 2444 • [email protected] • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe • KIT • Institut für Produktionstechnik (wbk) • Kaiserstraße 12 • 76128 Karlsruhe •

109108

Unter Energieeffi zienz wird in diesem Rahmen die energie-minimierte Durchführung einer Förderaufgabe bei vorgege-benen Leistungszielen verstanden. Die Energieeffi zienz ist nicht nur aus Gründen der CO2-Einsparung wichtig, sondern spart auch direkt Kosten, denn die Dimensionierung von Lei-tungen sowie die Kosten eines Stromliefervertrages beinhal-ten neben dem reinen Verbrauch auch Kostenfaktoren, die sich auf Leistungsspitzen beziehen.

Dabei wird der Grundgedanke verfolgt, dass sich energieeffi -ziente Technologien und Strategien nur dann durchsetzen wer-den, wenn die Auswirkungen auf die Leistung des Logistik-systems transparent und damit nachvollziehbar berechnet werden können. Gleichzeitig ist für die spätere Einführung in die industrielle Praxis eine Methode zu entwickeln, die ohne aufwendige technische Anpassungen implementiert werden kann.

Im Projekt GreenRBG wird der Fokus auf ein Hochregallager mit automatischen Regalbediengeräten (RBG) gelegt. Im Pro-jekt wurden Lagerstrategien zur Minderung des Energiebe-darfs sowie Methoden zur Reduzierung der Leistungsspitzen von Regalbediengeräten erarbeitet.

Tobias Sommer1, Michael Voß2

1 Universität Stuttgart, Institut für Fördertechnik und Logistik2 Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen


GreenRBG – Energieeffi ziente Steuerung von Regalbediengeräten unter Berücksichtigung der Systemleistung

Aus ökologischen und ökonomischen Gründen wird in der auto-matisierten Produktion angestrebt, den Energieverbrauch zu reduzieren. Kernelement vieler Automatisierungsanlagen sind Roboter, deren Energieverbrauch bisher kaum berücksichtigt wurde.

Im Rahmen des Forschungsprojekts »MoniSimO – Monitoring, Simulation und Optimierung von Roboteranwendungen zur Steigerung der Energieeffi zienz« wurde ein Software-Baukas-ten entwickelt, der dem Anwender helfen kann, seinen Robo-ter energiesparend einzusetzen.

Eine dedizierte Mess-Hardware erfasst die Energieverbräuche. Gleichzeitig zum Energieverbrauch protokollieren eigens ent-wickelte Schnittstellen die Bewegungen des Roboters. Die gewonnenen Daten fl ießen dann in ein Simulationsmodell, das eine präzise Vorhersage des zu erwartenden Energieverbrauchs ermöglicht. Kartierung und Diskretisierung verkleinern den Suchraum für die anschließende Optimierung, ermöglichen die Vorausberechnung der erforderlichen Daten und beschleu-nigen die anschließende Optimierung. Schließlich werden auf Basis genetischer Algorithmen verschiedene Simulations-parameter so lange variiert, bis eine Parametrierung gefunden wird, in der ein geringer Energieverbrauch erreicht wird.

Die entwickelten Software-Module können während der Pla-nungsphase für neue Roboterzellen, zur Optimierung beste-hender Zellen sowie zur Normung und weiteren Forschung im Themenfeld energieeffi ziente Roboter eingesetzt werden.

Alexander Spiller1, Armin Lechler2

1 Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Stuttgart2 Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW)

Energieeffi ziente Industrieroboter – Verbrauchserfassung, Offl ine-Simulation und -Optimierung

KontaktDipl.-Ing. Michael VoßInstitut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 82433 • [email protected]. Tobias SommerInstitut für Fördertechnik und Logistik • Universität Stuttgart • Holzgartenstraße 15b • 70174 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 83743 • [email protected]

KontaktDip.-Ing. Alexander SpillerFraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • [email protected]ße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Nobelstraße 12 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 970-1060 • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA • Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA •

einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart • Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungs-einrichtungen • Universität Stuttgart • Seidenstraße 36 • 70174 Stuttgart •

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Posterausstellung: High Performance Computing

2.5High Performance Computing

Die Speicherung des Treibhausgases CO2 in tiefen unterirdi-schen Gesteinsschichten, z. B. nach Abtrennung aus dem Ab-gasstrom eines Kraftwerks, könnte einen Beitrag zur Begren-zung der Klimaerwärmung leisten. Zur Untersuchung mögli-cher Sicherheitsrisiken dieser Technologie ist die numerische Simulation der Prozesse bei der Speicherung im Untergrund unverzichtbar. Die Simulationen erfordern in der Regel sehr große zeitliche und räumliche Skalen, sodass die Anwendung von High Performance Computing unbedingt erforderlich ist, um die Recheneffi zienz zu verbessern.

Aus einem Pilot-Speicherstandort in Deutschland stehen Mess-daten zur Verfügung, die zur Kalibrierung eines großskaligen Modelles (5 x 5 km2 x 70 m) dieses Speichers verwendet wur-den. Im Einzelnen umfassen die Daten Druckmessreihen am Injektionsbrunnen und an einem Beobachtungsbrunnen so-wie Beobachtungen von Ankunftszeiten an den beiden Beob-achtungsbrunnen in 50 m bzw. 100 m Entfernung von der In-jektion.

Für die verwendeten Simulationsmodelle, die mit den Pro-grammpaketen DUNE (www.dune-project.org) und Dumux (www.dumux.org) durchgeführt wurden, wurden effi ziente algebraische Mehrgitteralgorithmen zur voll impliziten Lösung der Gleichungssysteme implementiert.

Peter Bastian2, Olaf Ippisch2, Rebecca Neumann2, Holger Class1, Bernd Flemisch1, Rainer Helmig1, Lena Walter1

1 Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung2 Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen

Großskalige numerische Simulation von Prozessen bei der CO2-Speicherung in geologischen Formationen

113112

High resolution simulations of subsurface fl ow are important for a wide range of problems like the prediction of groundwa-ter recharge, risk assessment for water pollution, or weather prediction. Due to the heterogeneity of natural porous media the solution of all these problems requires massively parallel computing.

The determination of permeability distributions is a big chal-lenge as subsurface measurements are scarce and expensive. We therefore developed a massively parallel geostatistical in-version code, which allows an optimal exploitation of the avail-able data for different types of measurements as well as a quantifi cation of the remaining uncertainty. Convection dom-inated fl ow poses special problems for the numerical solver. A new Discontinous-Galerkin based approach was developed to obtain a solution with less numerical oscillations with re-duced computation time.

For the simulation of large-scale water and solute transport in unsaturated porous media we tested the scalability of the simulation code µ� (MuPhi) for the solution of the three-di-mensional Richards’ equation and a matching solute transport code with realistic saturated and unsaturated subsurface fl ow problems on the supercomputers JUGENE and JUQUEEN. The results demonstrate an excellent scalability up to 294’849 cores. A groundwater fl ow problem with a heterogeneous per-meability fi eld varying over 14 orders of magnitude and 150 billion unknowns could be solved in about 10 minutes. This allows the solution of large catchment scale subsurface fl ow problems with high spatial resolution.

O. Ippisch1, A. Ngo1, R. L. Schwede2, W. Li2, M. Blatt1, P. Bastian1, O. A. Cirpka2

1 Heidelberg University, Interdisciplinary Center for Scientifi c Computing2 University of Tübingen, Center for Applied Geosciences


Massively Parallel Forward and Inverse Simulation of Water and Solute Transport in Porous Media

Mit dem rasanten Fortschritt im Bereich der Informationstech-nologie und der dadurch für die numerische Modellierung stetig weiter anwachsenden Verfügbarkeit an Ressourcen ist es möglich, rechentechnisch zunehmend aufwändigere An-wendungen durchzuführen. Ensemblevorhersagen, die einen Informationsgewinn gegenüber einer einzelnen determinis-tischen Wettervorhersage darstellen, können daher in der Zwi-schenzeit auch mit hochaufl ösenden Ausschnitts-Modellen erzeugt werden. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) betreibt seit Mai 2012 das Ensemblevorhersagesystem COSMO-DE-EPS operationell, das vor allem die Niederschlagsvorhersage für Deutschland verbessern soll. Die Vorhersage konvektiver Nie-derschläge ist dabei besonders schwierig.

Im Rahmen des von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Projektes HPC-14 wurden hochaufl ösende En-semblevorhersagen mit dem numerischen Wettervorhersage-modell COSMO für zwei ausgewählte konvektive Perioden in verschiedenen Konfi gurationen durchgeführt, die speziell für die Konvektionsvorhersage angepasst sind. Die Vorher-sagen zeigen im Ensemble eine ausreichende Dispersion des Niederschlags, die im direkten Vergleich für jenes Ensemble größer ist, das auf Analysedaten verschiedener Globalmodelle aufbaut.

Rang-Histogramme, die ein Maß für die statistische Konsistenz einer Ensemblevorhersage darstellen, zeigen eine bessere Statistik der hochaufl ösenden Ensemblesimulationen im Ver-gleich zu Globalvorhersagen.

Vera Maurer, Leonhard Gantner, Norbert Kalthoff

Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung

Ein mehrskaliges und wolkenaufl ösendes Ensemblesystem auf Höchstleistungsrechnern – Anwendung auf die Niederschlagsvorhersage

KontaktDr. Olaf IppischInterdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 • [email protected]

KontaktDr. Norbert KalthoffInstitut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Tel +49 (0) 721 608 24230 • [email protected] (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Institut für Meteorologie und Klimaforschung • Karlsruher Institut für Technologie (KIT) • Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 • 76344 Eggenstein • berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 • berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 •

Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 • Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 • Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 • Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen • Universität Heidel-berg • Im Neuenheimer Feld 368 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 548252 •

115114

Das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) bietet nationalen und internationalen Forschern sowie der Industrie Zugang zu aktuellen Höchstleistungsrechnern (z. B. dem Peta-fl oprechner „Hermit“). Um auch weiterhin den aktuellsten Stand der Technik anzubieten und ihn aktiv mitzugestalten ist das HLRS in seinen Kernkompetenzbereichen in vielseitigen natio-nalen, internationalen und industriegetriebenen Forschungs-projekten aktiv.

Das Poster „Spitzenforschung am HLRS“ präsentiert Auszüge aus verschiedenen Forschungsaktivitäten des HLRS in den Be-reichen Programmierwerkzeuge und Programmiermodelle (z. B. den Debugger Temanejo oder die Parallelisierungsbiblio-thek „ompiJava“), sowie verschiedenster Simulationen (Bei-spiel: Moleküldynamik). Um die dabei entstehenden großen Datenmengen effi zient auswerten zu können, werden eigene Visualisierungssysteme wie „COVISE“ und „Vistle“ entwickelt. Ferner wird an neuen Technologien wie Cloud Computing ge-forscht und mit anderen Themen, beispielsweise Big Data oder energieeffi zientem Computing gekoppelt.

Bastian Koller, Alexey Cheptsov, Michael Gienger, Colin W. Glass, José Gracia, Uwe Wössner

Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart


Spitzenforschung am Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart

The activity at chemical synapses is more than a 0-1-coding within the information processing of the central nervous sys-tem. Synaptic activity itself undergoes short- and long-term changes, resulting in highly adaptive homeostatic plasticity. Therefore, synaptic transmission involves many different bio-chemical substances and underlying mechanisms are often unknown.

So far, much research has been carried out on the role of the postsynaptic (receiving) part of a synaptic connection. New scientifi c insight demonstrates the relevance of presynaptic processes in signal transmission. Which processes dominate the transmission of neurotransmitter is still an active and wide fi eld of research. The focus of our attention on the one hand lies on the infl uence of the amount of released neurotrans-mitter itself. Our second focus lies on the mobility of vesicles – tiny membrane-spheres that are responsible for the pack-aging and transmission of the neurotransmitter in quantal amounts.

The central aim of our approach is setting up highly detailed, 3d models of the presynapse. For the description of the dynam-ics of neurotransmitter and vesicles we use partial differential equations dependent on space and time. Applying highly so-phisticated methods of numerical analysis and specialized, home-grown software tools enables us to solve the physical equations with high accuracy on high performance comput-ing architectures. Our interdisciplinary research approach has helped to interconnect modeling and biological data to address relevant features of synapse communication.

Susanne Höllbacher1, Fabian Roth2, Martin Stepniewski3, Gillian Queisser3, Gabirel Wittum1, Andreas Draguhn2

1 Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation, Ölbronn-Dürrn2 Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Institut für Physiologie und Pathophysiologie3 Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Interdisciplinary Center for Neuroscience

Modeling the Dynamics of Neurotransmitter at Inhibitory Synapses

KontaktDr.-Ing. Bastian KollerHöchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Nobelstraße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Gabriel WittumSteinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]. Dr.med. Andreas DraguhnInstitut für Physiologie und Pathophysiologie • Medizinische Fakultät der Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 326 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 6221 544056 • [email protected]. Dr. Gillian QueisserInterdisciplinary Center for Neurosciences • Rupprecht-Karls-Universität Heidelberg • Im Neuenheimer Feld 364 • 69120 Heidelberg • Tel +49 (0) 69 79825282 • [email protected]

43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße Steinbeis-Forschungszentrum Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected] Technische Simulation •Obere Steinbeisstraße 43/2 • 75248 Ölbronn-Dürrn • Tel +49 (0) 7043 950207 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]

Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Nobelstraße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]öchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Nobelstraße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]öchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Nobelstraße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]ße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]öchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart • Universität Stuttgart • Nobelstraße 19 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 7111 68565891 • [email protected]

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C. Eck1, O. Mangold2, R. Prohl3, A. Tkachuk4, E. Schelkle1

1 Automotive Simulation Center Stuttgart e. V.2 High Performance Computing Center Stuttgart3 Steinbeis Center of Innovation Simulation in Technology, Ölbronn-Dürrn4 University of Stuttgart, Institute of Structural Mechanics


Reduzierung numerischer Sensitivitäten in der Crashsimulation Modelling assembly of the TatA pore forming complex using an implicit membrane model

Many vital cellular processes, such as protein translocation, pro-ton transport or molecular recognition, are mediated by self assembling membrane proteins. We have investigated the Twin-arginine translocase (TatA) complex, which forms transient pores through which proteins are translocated through the membrane [1]. We postulated that complex formation is elec-trostatically driven by formation of salt bridges between amphi-philic transmembrane segments of the individual monomers and developed a structure-based model for this process [1]. We studied the formation of oligomers of different sizes by struc-ture-based [2] MD simulations in combination with NMR con-straints and a hydrophobic-slab implicit membrane model. Starting from isolated monomers, distributed far apart from each other, we observed the formation of stable TatA oligomers on the basis of the postulated interactions. The dimensions of the resulting TatA complex agreed well with experimental electron microscopy measurements [3] and the postulated interactions were confi rmed by subsequent mutation studies.

M. Wolf1, T. Walther1, C. Gottselig1, S. Grage1, A. Vargiu2, M. Klein1, S. Vollmer1, S. Prock1, M. Hartmann1, S. Afonin1, E. Stockwald1, H. Heinzmann1, W. Wenzel1, P. Ruggerone2, A. Ulrich1

1 Karlsruhe Institute of Technology (KIT)2 Università di Cagliari, Italy

KontaktAutomotive Simulation Center Stuttgart e. V. • Nobelstraße 15 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • [email protected] • www.asc-s.de

KontaktProf. Dr. Wolfgang WenzelInstitute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected] of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • Institute of Nanotechnology • Karlsruhe Institute of Technology • PO Box 3640 • 76021 Karlsruhe • Tel +49 (0) 721 60826386 • [email protected]

Automotive Simulation Center Stuttgart e. V. • Nobelstraße 15 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • Automotive Simulation Center Stuttgart e. V. • Nobelstraße 15 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 699659-0 • Fax 49 (0) 711 699659-29 •

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Monitoring of blood coagulation, platelet aggregation and fi brinolysis is an important issue in treatment of patients under-going cardiac surgery. The objective of this study was to estab-lish a new test system for consecutive prothrombin time and platelet aggregation measurements during extracorporeal circulation (ECC) procedures. For this task we used a newly devel-oped quartz crystal microbalance (QCM) system. Since QCM is a rarely used technique in the fi eld of blood analytics, the challenge was to transfer the well established methods of coagulometry and aggregometry to the new test system. To facilitate binding of blood platelets and coagulation factors to the sensor surface, which is essential for successful QCM measurement, the sensors were coated with fi brinogen and thin layers of polyethylene. For blood coagulation and platelet aggregation measurements the sensors were either incubated with whole blood or platelet rich plasma and frequency changes during incubation were detected.

Our measurements revealed a good accordance between the QCM device and the standard laboratory methods.

S. Sinn1, L. Müller1, M. Hussain1, H. Drechsel2, H. Northoff1, F. K. Gehring1,2

1 Universitätsklinikum Tübingen, Biosensorikgruppe des Instituts für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin2 3T analytik GmbH & Co. KG, Tuttlingen

QCM based hemostasis measurements on a microfl uidic platform

Posterausstellung: Mikrosystemtechnik

2.6Mikrosystemtechnik

KontaktDr. Frank K. GehringInstitut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 29-81692 • [email protected]ätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Institut für klinische und experimentelle Transfusionsmedizin • Universitätsklinikum Tübingen • Waldhörnle Straße 22 • 72072 Tübingen •

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Electrochemical biochips fabricated using thin-fi lms of syn-thetic boron-doped diamond (BDD) grown on insulating sub-strates, can deliver unmatched performances thanks to the extreme mechanical, thermal, chemical, electrical and optical properties uniquely possessed by diamond.

Envisioning simultaneous electrochemical and fl uorescence detections of biological events, we developed a diamond-on-sapphire technology, which made use of a silicon interlayer of ~50 nm, to provide a convenient interface for diamond growth onto the sapphire surface. In this way a variety of BDD Micro-electrode Arrays (MEA) and ISFET-Arrays with monolithic inte-gration of GaN Transistors, has been successfully fabricated.

Diamond being a distinctive type-0 electrode material, those chips are mainly used for amperometric detection of secre-tory events, showing excellent sensitivity, very low noise, fast response and long-term reliability. Yet the characterization conducted by impedance spectroscopy and Mott-Schottky plot, shows that our BDD-MEAs are also suitable for potentiometric detection. On the side of optical transparency major improve-ments were needed, because the silicon interlayer caused a signifi cant absorption in the blue-violet spectral region, thus limiting the potential use of fl uorescent detection to the red-green range only, where at least 50 % transparency was avail-able. New optimized technological processes show remark-able improvements of the transmissivity in the whole visible spectrum.

Alberto Pasquarelli, Talita Conte, Ziyao Gao, Patrick Herfurth, Erhard Kohn

Universität Ulm, Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen


Diamond technology for electrochemical biochips

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von neuartigen Mikro-elektroden aus Kohlenstoffnanoröhren für medizinische Anwen-dungen. Glasbasierte Mikroelektrodenarrays (MEAs) sind in der biomedizinischen Forschung ein etabliertes in vitro Test-System zur Erfassung und Stimulation elektrischer Signale von Zellen. Auf fl exiblen Polyimiden basierende Mikroelektro-den-Implantate zur Erfassung und Stimulation elektrischer Signale von cerebralen Strukturen werden zunehmend für die Diagnose und Therapie bei Störungen des zentralen Nerven-systems eingesetzt.

Mikroelektroden aus Kohlenstoffnanoröhren (engl. Carbon Nanotubes, kurz CNTs) eignen sich aufgrund ihrer Biokompa-tibilität und chemischen Inertheit hervorragend für o g. An-wendungen. Die dreidimensionale Struktur der CNTs ist zu-dem aufgrund ihrer guten Einkopplung ins Zellgewebe zur rauscharmen Messung elektrischer Signale von Vorteil und so-mit eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen, korrosiven Metallelektroden.

Im Zuge der Arbeiten in diesem Projekt wurden erfolgreich reproduzierbare Syntheseprozesse zur Integration von CNT-Elektroden sowohl auf temperaturempfi ndlichen Polyimid-Substraten als auch auf MEA-Substraten entwickelt. Beide Substratsysteme wurden für die Synthese der CNT-Elektroden optimiert.

In Tests mit neuronalen Zellkulturen konnte mit den CNT-Elek-troden erfolgreich die elektrische Zellaktivität gemessen wer-den. Die 12-wöchigen Tests zeigten zudem die gute Biokompa-tibilität und -stabilität der CNT-Elektroden.

Boris Stamm1, Kerstin Schneider2, Katja Gutöhrlein1, Thoralf Herrmann1, Claus Burkhardt1, Dieter P. Kern2, Alfred Stett1

1 Universität Tübingen, Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut, Reutlingen2 Universität Tübingen, Institut für Angewandte Physik

Carbon nanotube electrodes for neuronal recording and stimulation

KontaktDr. Alberto PasquarelliInstitut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • [email protected]

KontaktDr. Alfred StettNMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 • [email protected]

Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen • Universität Ulm • Albert Einstein Allee 45 • 89069 Ulm • Tel +49 (0) 731 5025373 • Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 • Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 •

NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 • NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 • NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 • NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen • Markwiesenstraße 55 • 72770 Reutlingen • Tel +49 (0) 7121 51530-70 •

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Point mutations on the KRAS oncogene are an important pre-dictive biomarker for response to epidermal growth factor receptor targeted antibody therapy of colorectal carcinomas. The high prevalence of KRAS mutations of 30 % to 40 % in all colorectal carcinomas requires routine KRAS genotyping to predict therapy success and to reduce therapy costs. There-fore, a low-cost, disposable and ready-to-use centrifugal micro-fl uidic cartridge “GeneSlice” with preloaded primers and probes has been developed. The GeneSlice enables the parallel detec-tion of the seven most prevalent KRAS point mutations by allele-specifi c real-time PCR (A.H. Lang et al., 2011). It is intended as cost effective alternative to sequencing, providing faster time-to-result (GeneSlice: ~ 2 h; Sequencing: up to 20 h). Microfl uidic processing of the GeneSlice and allele-specifi c amplifi cation and real-time detection were conducted in a slightly modifi ed, commercially available real-time PCR thermocycler. Intra-chip standard deviation of Cq values on the GeneSlices was neg-ligible (Cq,std.dev. = 0.13). In 23/24 experiments, DNA from 6 cancer cell lines (n = 4 per cell line) was genotyped concordant with sequencing. Additionally, DNA derived from two human colorectal carcinoma samples was genotyped correctly and reproducibly. The GeneSlice there-fore clearly demonstrated the potential to become a valuable tool for routine diagnos-tics of KRAS mutations by reducing cost and hands-on time.

Oliver Strohmeier1,2, Silke Laßmann3,4,5,6, Bianca Riedel3,6, Daniel Mark1, Günter Roth1,2, Martin Werner3,5,6, Roland Zengerle1,2,4, Felix von Stetten1,2*

1 HSG-IMIT – Institut für Mikro- und Informationstechnik, Freiburg 2 University of Freiburg, IMTEK – Department of Microsystems Engineering, Laboratory for MEMS Applications3 University Medical Center, Institute of Pathology, Freiburg4 University of Freiburg, BIOSS – Centre for Biological Signalling Studies5 Comprehensive Cancer Center Freiburg6 German Cancer Consortium (DKTK) and German Cancer Research Center (DKFZ), Heidelberg


Multiplex genotyping of KRAS point mutations in tumorcell DNA by allele-specifi c real-time PCR on a centrifugal microfl uidic disk segment Herstellung von polymeren Mikrohohlnadeln mittels UV Imprint-Lithographie

Für die Herstellung von polymeren Mikrohohlnadeln wurde am IMTEK ein UV Imprint Prozess etabliert, welcher es erlaubt, Nadeln mit Durchgangslöchern ohne Nachbearbeitung in Epoxid zu replizieren. Ausgehend von einer modularen Mas-terstruktur werden Stempel aus Silikonkautschuk gegossen. Polymerreplikate aus UV-härtbarem Epoxid werden anschlie-ßend mittels des Stempels hergestellt. Der erste Schritt in der Prozesskette ist die Fertigung der Masterstruktur. Ein Mes-singwafer dient als Träger für Stahlnadeln, welche rückseitig bündig mit dem Messingwafer verklebt werden. Als Werkzeug für die Replikation wird ein Abguss der Masterstruktur aus Silikonkautschuk eingesetzt. Hierfür wird nicht auspolymeri-siertes Silikonkautschuk (Elastosil® RT 601, Wacker Chemie AG) in eine Gussform gegeben, in der der Master fi xiert ist. In einem Heißprägeprozess wird bei 80°C die Dicke des PDMS Stempels defi niert und das PDMS ausgehärtet. Anschließend wird der PDMS Stempel entformt. Für die Replikation der Mikrohohlnadeln wird der Stempel mit UV-härtbarem Epoxid (ORMOCOMP®, microresist technology GmbH) befüllt. Die Polymerisation des Epoxids wird mittels einer UV-Lampe initi-iert. Um die Polymerisation zu komplettieren, wird der Ver-bund aus PDMS und Epoxid in einem Ofen ausgeheizt. Nach-dem PDMS Stempel und Epoxid abgekühlt sind, kann das nun fertige Epoxidreplikat entformt werden.

G. Welte1, T. Rieper1, A. Schumacher2, M. Schmelz3, C. Müller1, H. Reinecke1,2

1 Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK)2 Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e. V. (HSG-IMIT), Villingen-Schwenningen 3 Universität Heidelberg, Klinik für Anästhesiologie und Operative Intensivmedizin, Mannheim

KontaktOliver StrohmeierInstitut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 73232 • [email protected] Dr. Felix von StettenInstitut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 73243 • [email protected]

KontaktDipl.-Ing. Gregor Welte Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. • Tel +49 (0) 761 203-7253 • [email protected]

lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Anwendungsentwick-lung • Universität Freiburg • Georges-Köhler Allee 103 • 79110 Freiburg • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. •

Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Lehrstuhl für Prozesstechnologie • Institut für Mikrosystemtechnik – IMTEK • Universität Freiburg • Georges-Köhler-Allee 103 • 79110 Freiburg i. Br. •

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Posterausstellung: Organische Photovoltaik

2.7Organische Photovoltaik

Organische Tandemsolarmodule – Grundlagen und Hochskalierung

Ziel des über 3 Jahre laufenden Projektes ist es, großfl ächige Tandemmodule mit neuartigen löslichen Absorbermaterialien herzustellen und diese Solarzellen photophysikalisch zu unter-suchen. In Tandemzellen kommen zwei übereinander gestapel-te Subzellen mit optimal abgestimmter Absorption zum Ein-satz, um das Sonnenspektrum besser zu nutzen. Dazu wurden am Institut OC II in Ulm sechs neue lösliche Oligothiophene mit kleiner Bandlücke (1,6 eV) synthetisiert. Mit dem besten Oligomer konnten bisher Wirkungsgrade bis 6.0 % erzielt wer-den. Von den vielversprechendsten Oligothiophenen soll die Synthese am Institut OC II nun auf den Gramm-Maßstab hoch-skaliert werden, um großfl ächige Beschichtungen zu ermög-lichen. Begleitend dazu werden die photophysikalischen Eigen-schaften der neuen Verbindungen in Solarzellen z. B. mittels photoinduzierter Absorption und Photolumineszenz am LTI untersucht. Zeitgleich wird die homogene großfl ächige Beschich-tung mittels Rakeln oder Schlitzgießen von Referenzmateria-lien am ZSW in Stuttgart erprobt und die Verschaltung von Tan-demzellen zu ersten Minimodulen entwickelt. Ein erster De-monstrator aus vier in Serie geschalteten Tandemzellen zeigte nur minimale Verluste in der Leerlaufspannung. In der zwei-ten Projekthälfte sollen nun Tandemzellen mit den neuen Materialien am ZSW hergestellt und optimiert werden; die optimalen Schichtdicken dazu werden vom LTI berechnet. Zum Schluss sollen die Tandemzellen zu großen Modulen verschal-tet werden.

C. D. Wessendorf1, J. Hanisch1, E. Ahlswede1, A. Quintilla2, A. Arndt2, U. Lemmer2, G. L. Schulz3, P. Bäuerle3

1 Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Stuttgart2 Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Lichttechnisches Institut (LTI)3 Universität Ulm, Institut für Organische Chemie II und Neue Materialien (OC II)

KontaktDr. Cordula WessendorfZentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • [email protected](ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 • Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) • Industriestraße 6 • 70565 Stuttgart • Tel: +49 (0) 711 7870340 •

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Das Ziel unseres Projekts ist die Untersuchung organischer photovoltaischer (OPV) Systeme im Hinblick auf verbesserte Donator-Akzeptor-Architekturen in Kombination mit metalli-schen Nanostrukturen. Durch strukturierte Grenzfl ächen kann prinzipiell die Effi zienz verbessert und eine höhere spektrale Ausbeute erzielt werden. Unser interdisziplinärer Ansatz kom-biniert das kontrollierte Wachstum organischer Schichten mit vorteilhaften Eigenschaften für den Exziton- und Ladungstrans-port, die Herstellung wohldefi nierter metallischer Nanostruk-turen sowie die Methode der Nahfeld-Mikroskopie zur Präpa-ration und Charakterisierung spezifi scher Hybrid-Strukturen. Mittels unterschiedlicher Strukturierungs- und Wachstums-Strategien kann das organische Schichtsystem als planare Heterojunction, verzahnte Heterojunction oder als Bulk-Hetero-junction konzipiert werden. Auf der transparenten Elektrode werden metallische Nanostrukturen hergestellt, um eine ver-stärkte Absorption in den organischen Schichten zu erreichen. Die photovoltaischen Strukturen werden hinsichtlich ihrer Strom-Spannungs-Charakteristik und ihrer spektralen Eigen-schaften untersucht. Die Grenzfl ächen innerhalb der Zellen werden mit hochaufl ösender aperturloser optischer Nahfeld-Mikroskopie analysiert, während die elektronischen Zustände mit Photoemissions-Spektroskopie bestimmt werden können. Durch den Einsatz dieser komplementären Techniken und die so gewonnenen Kenntnisse wollen wir Konzepte für effi ziente OPV-Systeme entwickeln.

Christopher Lorch1, Rupak Banerjee1, Dominik Gollmer1, Felicitas Walter1, Xiao Wang2, Marius van den Berg2, Alexander Gerlach1, Heiko Peisert2, Alfred Meixner2, Dai Zhang2, Dieter P. Kern1, Monika Fleischer1, Frank Schreiber1

1 Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart2 Universität Ulm, Institut für Festkörperphysik

Posterausstellung: Organische Photovoltaik

Nanostrukturierte organische Photovoltaik-Zellen

MotivationIndium Tin Oxide (ITO) contributes signifi cantly to both the costs and the energy input of an organic photovoltaic (OPV) device.Realize low costs: R2R processing of ITO free, light weight, large area and fl exible OPV modules.Twofold approach to substitute ITO; a) conductive polymer in combination with a metal grid, b) sputtered transparent electrode based on thin Ag layers, e.g. AZO/Ag/AZO.With sputtered AZO/Ag/AZO, one of the highest effi ciencies (6.1 %) for ITO-free OPV achieved.

First R2R resultsSputtered Cr/Al/Cr, R2R coated photoactive (P3HT:PCBM) and hole transport (PEDOT:PSS) layers, fi nal Ag grid aerosol printed (production relevant) and thermally evaporated (as reference).Effi ciencies of 2.9 % for aerosol printed and 2.8 % for thermally evaporated Ag grid; similar to devices with the same setup built with the same materials using standard laboratory pro-cesses (spincoating).

Laminated organic solar cellsEliminates the need for electrode deposition on top of organic layer ¶ Freedom of choice of electrodes and deposition (vacu-um process) techniques for best ratio between material con-sumption and electrical/optical properties.Laminated organic solar cell performance (2.5 %) > 80 % of the optimized single stack devices with same materials and device setups.

OutlookRealize large area OPV modules; R2R coated photoactive and hole transport layers, screen printed (high throughput) top Ag grid electrode.Realize laminated OPV modules; successful series circuitry interconnections via lamination.

Deepak Kaduwal1,2, Patrick Reinecke1,2, Birger Zimmermann1, Thomas Kroyer1, Uli Würfel1,2

1 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg2 University of Freiburg, Freiburg Material Research Center FMF

Development of ITO-Free Flexible Organic Solar Modules

KontaktProf. Dr. Frank SchreiberInstitut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • [email protected]

KontaktDr. Uli WürfelFraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected]. Birger ZimmermannFraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4795 • [email protected]

Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Institut für Angewandte Physik • Eberhard Karls Universität Tübingen • Auf der Morgenstelle 10 • 72076 Tübingen • Tel +49 (0) 7071 78663 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected]

Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected] Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme • Heidenhofstraße 2 • 79110 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203-4796 • [email protected]

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Posterausstellung: Internationale Spitzenforschung

2.8InternationaleSpitzenforschung

So gut wie alle kosmologischen Beobachtungen aus dem letz-ten Jahrzehnt stützen das Standardmodell der Kosmologie. Es beruht auf wenigen einfachen Annahmen und führt zu den Schlussfolgerungen, dass gewöhnliche Materie nur 15 % aller Materie im Universum ausmacht und dass alle Materie zusam-mengenommen nur 30 % zu seinem Energieinhalt beiträgt. Dunkle Materie und dunkle Energie scheinen unser Universum vollständig zu dominieren. Was können wir über diese Substan-zen aussagen? Da sie beide dunkel sind, kommt der indirekten Methode der gravitativen Lichtablenkung, Gravitationslinsen-effekt genannt, die wichtigste Rolle zu. Der Gravitationslinsen-effekt der massereichsten Objekte im Universum, der Gala-xienhaufen, erzeugt spektakuläre Bildverzerrungen und ermög-licht die Rekonstruktion ihrer dunklen Materieverteilungen. Da Galaxienhaufen die jüngsten Objekte in der kosmischen Geschichte sind, wird ihre Entwicklung möglicherweise erheb-lich durch die dunkle Energie beeinfl usst, so dass die Natur der dunklen Energie anhand der Galaxienhaufen untersucht wer-den kann. Zusammengenommen verfügen unsere Gruppen in Bologna, Tel Aviv und Heidelberg über die theoretische, methodische und beobachtungsbezogene Expertise, die Gra-vitationslinseneffekte dieser faszinierenden und sich schnell entwickelnden Klasse kosmologischer Objekte zu entdecken und zu interpretieren und damit die Entstehung von Struk-turen aus dunkler Materie in einem Universum zu enthüllen, das durch dunkle Energie bestimmt wird.

Britta Zieser, Matthias Redlich, Matthias Bartelmann

Universität Heidelberg, Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik

Galaxy clusters probed by strong gravitational lensing

KontaktProf. Dr. Matthias BartelmannUniversität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • [email protected] • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 • Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Universität Heidelberg • Zentrum für Astronomie, Institut für Theoretische Astrophysik • Philosophenweg 12 • 69120 Heidelberg • Tel: +49 (0) 6221 54 4817 •

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Natürliche Holzoberfl ächen werden von Endverbrauchern be-vorzugt, was gegenüber synthetischen Materialien einen Wett-bewerbsvorteil bedeutet. Gerade für hochwertige Massivholz-produkte (Böden, Paneele) ist die Ästhetik entscheidend für den Preis. Heute gängige Qualitätssortierungen sind techno-logisch orientiert. Natürliche optische Unregelmäßigkeiten werden abwertend als Holzfehler deklariert. Zugleich sinkt die mengenmäßige Ausbeute von Premiumprodukten in Relation zum eingesetzten Rundholz. Untersuchungen u. a. aus Skandi-navien zeigen, dass verschiedene Kundengruppen unterschied-liche Präferenzen in Bezug auf die optischen Merkmale von Holz-oberfl ächen haben. Jedoch ist nicht klar, welche Oberfl ächen-merkmale eine positive Einschätzung durch den Endverbraucher zur Folge haben. Mit Hilfe von Befragungen kann dieser Frage auf den Grund gegangen werden. Dies führt zu der Möglichkeit einer optimierten und kundenorientierten Stammholzverar-beitung durch den Einsatz der CT-Technologie zur zerstörungs-freien Qualitätsansprache des Stamminneren im Sägewerk vor dem Einschnitt. Durch den Einsatz geeigneter kombinierter Scanner-Technologien und angepasster computergestützter Bildanalyse und Klassifi zierungssysteme könnte es gelingen Präferenzen von Endverbrauchern bereits beim Einschnitt von Stämmen im Sägewerk zu berücksichtigen. Ziel wäre eine am Kunden orientierte Produktion und Sortierung von Brettober-fl ächen, um so den Ausschuss zu reduzieren und eine deutliche Steigerung sowohl der Volumenausbeute, wie auch der Wert-schöpfung zu ermöglichen.

Andreas Manuel1, Lorenz Breinigl3, Rainer Leonhart2, Franka Brüchert3, Gero Becker1, Udo Sauter3

1 Universität Freiburg, Institut für Forstbenutzung und Forstliche Arbeitswissenschaft 2 Universität Freiburg, Institut für Psychologie3 Forstliche Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Württemberg (FVA), Abteilung Waldnutzung, Freiburg und Luleå University

of Technology, Abteilung Holztechnologie, Schweden


Was macht Holz so attraktiv? Transformation von Kundenwünschen in messbare Materialkennwerte Non-invasive Glucose Sensing

We demonstrate how to utilize plasmonic nanostructures for glucose sensing. Glucose monitoring is of major importance for everyone diagnosed with diabetes. Non-invasive methods that detect the glucose level in tear liquid need a high sen-sitivity, as the glucose concentration is about one order of mag-nitude smaller than in blood. This sensitivity can be achieved by using Fano-resonant plasmonic nanostructures due to their sharp resonances. Special hydrogels that react on the presence of glucose ensure the selectivity of the sensor. Additionally, the detected signal is further enhanced due to the hydrogel.

A second approach exploits the chiral properties of glucose to achieve the required selectivity. Numerical simulations predict that electromagnetic near-fi elds of chiral plasmonic nanoan-tennas interact stronger with chiral molecules than the cur-rently used circularly polarized light. We discuss novel designs and their respective benefi ts for enantiomer sensing. The chiral near-fi elds are more uniform and easier to access for pla-nar structures, while three-dimensional antennas allow for higher enhancement of the chiral interaction.

We show two different techniques for cost-effi cient large-area manufacturing of chiral nanoantennas. Multi-beam interfer-ence lithography allows for fabrication of three-dimensional chiral photonic crystals. Colloidal nanohole lithography with tilted angle rotation covers substrates on a square cm size area with complex chiral nanoantennas.

Martin Mesch1, Bettina Frank1, Mario Hentschel1, Martin Schäferling1, Xinghui Yin1, Chunjie Zhang2, Paul V. Braun2, Harald Giessen1

1 University of Stuttgart, 4th Physics Institute2 University of Illinois at Urbana-Champaign, Department of Materials Science and Engineering, USA

KontaktAndreas ManuelLehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • [email protected]

KontaktProf. Dr. Harald GiessenUniversity of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • [email protected]. Dr. Paul V. BraunUniversity of Illinois at Urbana-Champaign • Materials Science and Enginee-ring • 1304 W. Green Street • Urbana, IL 61801 • USA • [email protected]

nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 • Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-Lehrstuhlinhaber: Prof. Dr. Dr. h.c. Gero Becker • Professur für Forstbe-nutzung • Werthmannstraße 6 • 79085 Freiburg • Tel +49 (0) 761 203 3764 •

University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • 70569 Stuttgart • [email protected] of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 • University of Stuttgart • 4th Physics Institute • Pfaffenwaldring 57 •

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The Formation of the First Stars in the Universe

The First Stars are the fi rst luminous structures to form in the Universe, before their existence the Universe was dark and consisted of only hydrogen and helium. After their formation they began to ionise surrounding gas halos, and created heavy elements (such as those needed to form planets like Earth) in their cores through nuclear reactions. The formation of the First Stars is, therefore, a topic that is critical for our under-standing of how the Universe came to be the way it is today. At the University of Heidelberg we use funds from the Baden-Württemberg Stiftung to perform cutting-edge numerical simulations of star formation in dark matter mini-halos. As the First Stars cannot be observed directly this approach allows us to gain unique insights into the beginning of our Universe.

Rowan J. Smith, Jennifer Schober, Ralf Klessen, Paul Clark, Simon Glover & Mei Sasaki

Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg, Institut für Theoretische Astrophysik

Complex Event Processing in the Large (CEPiL)

Viele Anwendungen aus den Bereichen Logistik, Smart Grid, Verkehrssteuerung und Finanzmärkte machen sich eine stetig wachsende Infrastruktur geografi sch weit verteilter Sensoren zunutze. Billionen von Sensoren ermöglichen diesen Anwen-dungen zukünftig auf Ereignisse der Umwelt in Echtzeit zu reagieren. Komplexe Ereignisverarbeitung (CEP) ist dabei ein zentrales Paradigma zur Integration und Echtzeitanalyse von Datenströmen. Messungen aus Sensoren können mittels CEP einfach erfasst und durch Analyse der Datenströme komplexe Ereignisse, zum Beispiel der über Kameras beobachtete Ziel-einlauf eines prominenten Marathonläufers, erkannt werden.

Die Beherrschung großer Datenmengen gepaart mit einer ho-hen Dynamik hinsichtlich der in einem Anwendungskontext relevanten Ereignisse stellt angesichts vieler möglicher Ereig-nisse sowie Datenquellen und –senken eine enorme Heraus-forderung für die Realisierung von CEP-Systemen und deren Infrastruktur dar.

Der Ansatz des Projektes „CEP in the Large“ ist die verteilte Analyse von Datenströmen auf einer Infrastruktur aus vielen vernetzen Berechnungsknoten, um die enormen Datenmen-gen zukünftiger Anwendungen zu verarbeiten und gleichzei-tig Verzögerungen und Netzwerkverkehr zu minimieren. Um den Einsatz von CEP-Systemen insbesondere in sicherheitskri-tischen Anwendungen zu ermöglichen, werden im Projekt Methoden untersucht, die neben einer hohen Adaptivität so-wohl Zuverlässigkeit als auch Vertraulichkeit der Daten ge-währleisten.

Kurt Rothermel1, Boris Koldehofe1, Beate Ottenwälder1, Ruben Mayer1, Umakishore Ramachandran2

1 Universität Stuttgart, Institut für Parallele und Verteilte Systeme2 Georgia Institute of Technology, College of Computing, USA

KontaktProf. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt RothermelInstitut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 • [email protected]. Boris KoldehofeInstitut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart • Tel +49 (0) 711 685 88357 • [email protected]

Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 •

Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt RothermelInstitut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 •

Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c. Kurt RothermelInstitut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Institut für Parallele und Verteilte Systeme • Universität Stuttgart • Universitätsstraße 38 • 70569 Stuttgart •Tel +49 (0) 711 685 88434 •

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Tel +49 (0) 711 248 476-0Fax +49 (0) 711 248 476-50

[email protected] • www.bwstiftung.de

Die Baden-Württemberg Stiftung setzt sich für ein lebendiges und lebenswertes Baden-Württemberg ein. Sie ebnet den Weg für Spitzenforschung, vielfältige Bildungsmaßnahmen und den verantwortungsbewussten Umgang mit unseren Mitmenschen. Die Baden-Württemberg Stiftung ist eine der großen operativen Stiftungen in Deutschland. Sie ist die einzige, die ausschließlich und überparteilich in die Zukunft Baden-Württembergs investiert – und damit in die Zukunft seiner Bürgerinnen und Bürger.

dokumentation zum forschungstag 2013 …

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