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Kurznachrichten April 2018

Zellen unter Stress

Nahezu alle Organe unseres Körpers sind ununterbrochen mechanischen Kräften ausgesetzt. Diese verändern die Struktur bestimmter Proteine in den betroffenen Körperzellen, was die Eiweißkörper unter Umständen sogar irreparabel beschädigt. In einem neuen DFG-Projekt will ein Forscherteam herausfinden, wie sich unsere Zellen und Gewebe gegen mechanische Belastungen schützen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Forschungszentrum Jülich untersuchen in einem Teilprojekt, wie Proteine und zelluläre Strukturen auf den mechanischen Stress reagieren und welche Proteine durch diese Reize verändert, beschädigt, entsorgt und durch neue ersetzt werden.

Im Jülicher Institut für Biomechanik werden dazu Zellen mit selbst entwickelten Apparaturen durch mechanische Dehnung "gestresst" und zellbiologisch von ihrer Bildung bis zum Abbau der Zellen untersucht. Die Dehnung ist eines der häufigsten mechanischen Stresssignale für den Menschen – jeder Atemzug, jeder Herzschlag und jede Muskelbewegung löst diese Signale aus. Besonderes Augenmerk legen die Forscher auf diejenigen Strukturen und Proteine, die für die Erkennung mechanischer Dehnung verantwortlich sind. Diese biologischen "Mechanosensoren" sind den größten Reizen ausgesetzt und spielen eine entscheidende Rolle dabei, die Zellen und den Körper insgesamt an die mechanische Belastung anzupassen.

Am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik wird parallel dazu die Reaktion der Zellen auf systembiologischer Ebene untersucht. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler charakterisieren mittels hochauflösender Massenspektrometrie die Veränderungen im Proteinabbau und der Proteinsynthese in der Zelle und die zugrundeliegenden Regulierungsprozesse.

Federführend bei dem Projekt "Zelluläre Schutzmechanismen gegen mechanischen Stress" ist die Universität Bonn; zu dem Verbund gehören neben Jülich auch Forscher der Universitäten Köln und Freiburg sowie der Deutschen Sporthochschule Köln. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert das Vorhaben in den nächsten drei Jahren mit knapp drei Millionen Euro.

Institute of Complex Systems, Bereich Biomechanik (ICS-7)

Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Analytik (ZEA-3)

MuskelfaserIn einer Muskelfaser zerstört mechanische Belastung die regelmäßige Anordnung der Gerüstproteine (magenta) und führt zu beschädigten Bereichen (rot).
Copyright: Dieter Fürst/Institut für Zellbiologie, Universität Bonn

Quantenmaterialien für neue Elektronik

Ein internationales Team von Forschern, darunter Experten aus dem Jülich Centre for Neutron Science (JCNS), hat herausgefunden, dass sich extrem dünne – wahrscheinlich sogar nur eine Atomlage dicke – Grenzflächen in sogenannten Quantenmaterialien möglicherweise einfacher herstellen lassen als bisher gedacht. Die Entdeckung könnte die Entwicklung von neuartigen elektronischen Bauteilen einen großen Schritt voranbringen. Quantenmaterialien umfassen verschiedene Materialklassen mit Eigenschaften, die nicht durch die Gesetze der klassischen Physik, sondern die der Quantenmechanik erzeugt werden.

Bisher werden magnetische Schichtsysteme, die solche Grenzflächen aufweisen, meist auf der Oberfläche von Materialien aufgetragen. Dabei sind Mindestdicken nötig, da diese in der Regel rau sind. Die Forscher zeigten, dass im Inneren bestimmter Materialien spontan magnetische Multischichtstrukturen entstehen können, in denen sich die gesuchten dünnen Grenzschichten finden. Die magnetischen und elektronischen Eigenschaften dieser Grenzflächen unterscheiden sich drastisch von denen der Nachbarschichten: Zum Beispiel können sie supraleitend sein oder neue exotische Eigenschaften besitzen, die für Anwendungen interessant sind. Ebenso wichtig für eine technische Nutzung ist, dass sich Eigenschaften wie die Dicke der Schichten leicht von außen steuern lassen, zum Beispiel über die Temperatur oder ein Magnetfeld.

Die Forscher unter Leitung des amerikanischen Los Alamos National Laboratory haben die Schichtstrukturen im Inneren einer metallischen Verbindung aus Cer, Rhodium und Indium (CeRhIn5) mithilfe einer Kombination aus Experiment und Theorie entdeckt. Das Neutronenstreuinstrument POLI, das das Forschungszentrum Jülich und die RWTH Aachen gemeinsam am Heinz Meier-Leibnitz Zentrum in Garching bei München betreiben, lieferte dabei erstmals ein klares Bild der magnetischen Struktur des komplexen Materials. Von Vorteil dabei ist, dass POLI mit besonders energiereichen, sogenannten "heißen" Neutronen als Sonde arbeitet. Die Forscher vermuten, dass vergleichbare Schichtsysteme auch in zahlreichen anderen Materialien zu finden sind.

Originalveröffentlichung:
Tunable Emergent Heterostructures in a Prototypical Correlated Metal, Nature Physics (2018), DOI:10.1038/s41567-018-0060-9

Meldung auf der Website des Jülich Centre for Neutron Science (engl.)

Pressemitteilung des Los Alamos National Laboratory, USA, vom 26.3.2018 (engl.)

Polymere: Kleine Knotenkunde

Knoten auf Polymeren – chemischen Verbindungen, die aus Ketten oder verzweigten Molekülen bestehen – treten in der Natur regelmäßig auf. Polymere sind von größter Wichtigkeit in der Biologie – Stichwort DNA –, aber genauso relevant für die Entwicklung von Kunststoffen oder anderen Materialien in der Chemie und Materialforschung. Wie sich solche Knoten in unterschiedlichen Lösungsmitteln verhalten, haben Forscher der Universität Wien und vom Jülicher Institut für Theorie der Weichen Materie und Biophysik nun mittels Computersimulationen untersucht. Insbesondere die Unterschiede zwischen geknoteten und nicht geknoteten Polymerringen standen im Zentrum ihrer Forschung. Die Erkenntnisse könnten nützlich sein, um ein Verfahren zur Trennung der beiden Varianten zu entwickeln.

Wie wichtig die Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel sind, zeigt sich bereits bei nicht geknoteten Polymerringen: Wenn die Scherkräfte zwischen Flüssigkeit und Polymer immer stärker werden, wird der Ring entlang der Flussrichtung gestreckt. Teilchen des Lösungsmittels werden dann an den beiden hufeisenförmigen Seiten des gestreckten Rings reflektiert und erzeugen einen Rückfluss, welcher den Ring senkrecht zur Flussrichtung öffnet. Dieser Effekt verschwindet in Lösungsmitteln, in denen es keine hydrodynamischen Wechselwirkungen gibt.

Ein ähnliches Ergebnis konnten die Forscher im Fall des Kleeblatt- oder Trefoil-Knotens reproduzieren – dem einfachsten Knotentyp, den wir nutzen, wenn wir unsere Schnürsenkel binden oder Geschenke verpacken. Bei fehlender Hydrodynamik zieht sich ein solcher Knoten immer fester zusammen, je größer die Reibungskräfte in dem Lösungsmittel werden, und nähert sich damit der Ringform. Mit Hydrodynamik wechselt der Knoten dagegen zwischen zwei Zuständen hin und her: Einerseits kann sich der auf dem Ring sitzende Knoten festziehen. Andererseits kann er sich weiten, wobei das Lösungsmittel einen entscheidenden Beitrag zur Lockerung leistet. In diesem Fall verhält sich das Polymer wie zwei ineinander verhakte Ringe.

Originalveröffentlichung:
Maximilian Liebetreu, Marisol Ripoll und Christos N. Likos:
Trefoil Knot Hydrodynamic Delocalization on Sheared Ring Polymers. ACS Macro Letters 2018. DOI: 10.1021/acsmacrolett.8b00059

Weitere Informationen:
Pressemitteilung der Universität Wien

Institut für Theorie der Weichen Materie und Biophysik (ICS-2 / IAS-2)

Schlüssel zur Kontrolle von Phasenübergängen?

Sogenannte Phasenübergänge kennen wir aus dem Alltag: Das Schmelzen von Kerzenwachs oder das Verdampfen von kochendem Wasser gehören dazu. Viele Phasenübergänge kommen jedoch nur bei extremen Bedingungen vor und können nicht mit bloßem Auge beobachtet werden. Einen solchen Phasenübergang haben Wissenschaftler um Dr. Carolin Schmitz-Antoniak vom Forschungszentrum Jülich untersucht und dabei Überraschendes über seine Entstehung herausgefunden. Die Erkenntnisse könnten einen Schlüssel zur Kontrolle bestimmter Phasenübergänge liefern. Die renommierte Fachzeitschrift "Annalen der Physik" wählte die Arbeit als Titelthema der Märzausgabe 2018 aus.

Als Untersuchungsobjekte dienten den Forschern Nanopartikel aus Magnetit. Das eisenhaltige Material steht derzeit im Hinblick auf mögliche Anwendungen, zum Beispiel in der Spinelektronik, im Fokus zahlreicher Forschungsprojekte. Magnetit ist auch ein hervorragendes Modellsystem, um Phasenübergänge zu untersuchen: Beim Erwärmen auf eine Temperatur über minus 150 Grad Celsius wandelt sich Magnetit normalerweise von einem Isolator zu einem elektrisch leitenden Halbmetall. Gleichzeitig ändern sich die atomare Kristallstruktur und die magnetischen Eigenschaften.

Durch eine Beschichtung der Magnetit-Kügelchen mit Silizium konnten die Forscher diese Vorgänge nun jedoch voneinander entkoppeln und die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Nanopartikel beeinflussen, ohne ihre atomare Kristallstruktur messbar zu verändern. Dass Silizium die elektronischen Eigenschaften ändern kann, war bereits bekannt. Das Ausmaß überraschte die Forscher dennoch: Der Phasenübergang bei minus 150 Grad Celsius lässt sich durch die Beschichtung komplett unterdrücken. Entscheidend dafür ist die große Oberfläche der Partikel: 20 Prozent ihrer Atome liegen an der Oberfläche und haben direkten Kontakt mit der Beschichtung. Die Ergebnisse der Studie zeigen die enorme Bedeutung der elektronischen Struktur für die Steuerung von Phasenübergängen.

Originalpublikation:
Suppression of the Verwey Transition by Charge Trapping;
Carolin Schmitz-Antoniak, Detlef Schmitz, Anne Warland, Masih Darbandi, Soumyajyoti Haldar, Sumanta Bhandary, Biplab Sanyal, Olle Eriksson, Heiko Wende; Ann. Phys. (Berlin) 2018, 530, 1700363; DOI: 10.1002/andp.201700363

Weitere Informationen:
Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Eigenschaften (PGI-6)

Meldung "Key to the control of phase transitions?” vom 16.4.2018 auf der Website des PGI-6

Jülicher Expertise für die "Innovation-Mall"

Die Stabsstelle Zukunftscampus (ZC) des Forschungszentrums Jülich baut gemeinsam mit der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) und weiteren Partnern in den kommenden fünf Jahren eine "Innovation-Mall" auf, um beispielhaft den Wissens- und Technologietransfer zwischen Hochschule und Gesellschaft zu fördern. Dazu sollen in dem Projekt "Campus to World" eine Reihe von Arbeitsgruppen eingerichtet werden, an denen auch die Stabsstelle Zukunftscampus beteiligt ist. Ziel dieser "Labs" ist es, vor Ort wie im Netz einen Dialog aufzubauen, damit Wissen und Entwicklungen aus der Hochschule schneller als bisher Wirtschaft und Gesellschaft erreichen. Bund und Land fördern das Projekt mit Vorbildcharakter im Wettbewerb "Innovative Hochschule" mit rund 9 Millionen Euro.

An der Hochschule ist als Anlaufstelle für interessierte Bürger, Wissenschaftler und Vertreter der Wirtschaft ein Zentrum für Transfer- und Forschungsmanagement mit einem eigenen "Information Desk" geplant. Andere Arbeitsgruppen decken die Bereiche Sicherheit, Digitalisierung und Kommunale Innovationspartnerschaften ab, ergänzt durch ein "Forum Verantwortung" und ein "CitizenLab". In diese "Bürgerwerkstatt" kann die Stabsstelle Zukunftscampus ihre Expertise für einen nachhaltigen Umgang mit Energie und Ressourcen einbringen. Die im "Campus to World"-Projekt gesammelten Erfahrungen und die Verfahrensschritte sollen auf andere Hochschulen und Forschungseinrichtungen übertragbar sein und zukunftsfähige nachhaltige Entwicklungen auf kommunaler, regionaler oder auch überregionaler Ebene unterstützen.

Weiterführende Informationen zu dem Projekt

Informationen/Kontakt Stabsstelle Zukunftscampus (ZC)

Preise und Auszeichnungen

Honorarprofessur für Agrosphärenforscher Harry Vereecken

Prof. Harry Vereecken, Direktor des Jülicher Instituts für Bio- und Geowissenschaften, wurde jüngst gemeinsam mit sechs weiteren Geowissenschaftlern zum Honorarprofessor der Universität von Tianjin ernannt. Bislang bestanden nur informelle Kontakte zur Universität und ihrem neuen Institute of Surface-Earth System Science (ISESS), die aber ausgebaut werden sollen. So besuchte der Leiter des Instituts, Prof. Congqiang Liu, ehemals Vizepräsident der National Natural Science Foundation of China (NSFC), im vergangenen Jahr das Forschungszentrum, um sich über die Arbeit von TERENO zu informieren. TERENO ist ein interdisziplinäres und langfristiges Forschungsprogramm von sechs Zentren der Helmholtz-Gemeinschaft, die ein terrestrisches Observationsnetzwerk über Deutschland von dem Norddeutschen Tiefland bis hin zu den Bayrischen Alpen betreiben.

Institut für Bio- und Geowissenschaften, Bereich Agrosphäre (IBG-3)

Informationen zu TERENO

Jülicher Azubis auf Platz eins

Auszubildende des Forschungszentrums Jülich wurden im April in Berlin mit einem Ausbildungspreis der Helmholtz-Gemeinschaft ausgezeichnet. Mit ihrem Projekt "KNX Trainingssystem" konnten sich die angehenden Elektroniker für Betriebstechnik Björn Leseberg, Sören Langen, Achim Holten und Frederic Frenzel den ersten Preis in Höhe von 1000 Euro sichern. Ihr Projekt ist ein didaktisches Modell, das die Vernetzung aller technischen Systeme von Gebäuden aufgreift und an diese neue Technologie vereinfacht heranführt. Da das "KNX Trainingssystem" unter einer offenen Creative Commons Lizenz läuft, können alle Helmholtz-Zentren die Ausbildungsunterlage unkompliziert nutzen und an ihre eigenen Bedürfnisse anpassen.
Die Helmholtz-Gemeinschaft vergab den Preis zum dritten Mal. Mit der Auszeichnung werden einzelne Auszubildende oder Gruppen aus allen Bereichen geehrt, die in ihrem Helmholtz-Zentrum herausragende Projektleistungen erbracht haben. Besonders wichtig für die Jury ist, wie stark das Zentrum durch die Projektleistung der Auszubildenden profitiert hat – zum Beispiel durch Zeit- oder Kostenersparnisse.

Pressemitteilung der Helmholtz-Gemeinschaft zum Ausbildungspreis (16. April 2018)

Zentrale Berufsausbildung des Forschungszentrums Jülich

Aktuelle Termine:

Auf Seite http://www.fz-juelich.de/termine finden Sie aktuelle Konferenzen und Veranstaltungen im und mit dem Forschungs­zentrum Jülich.

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, Tel. 02461 61-1841, e.zeiss@fz-juelich.de