ulm-news.de

Sparkasse Neu-Ulm - Illertissen 1
Sie sind hier: ulm-news Startseite  Nachrichten

Ulm News, 20.06.2019 13:00

20. Juni 2019 von Ralf Grimminger
0 Kommentare

Mit Quantentechnologie Kernspin-Anwendungen revolutionieren


Der renommierte Ulmer Physiker Professor Martin Plenio hat ein selten vergebenes Reinhart Koselleck-Projekt über rund 1,5 Millionen Euro eingeworben. Mit dieser Förderung unterstützt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) "risikobehaftete Projekte": Dank Quantentechnologie will Professor Plenio die Grenzen der Kernspinresonanz überwinden und die medizinische Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie (MRT) sowie die NMR-Spektroskopie optimieren. 

In einem winzigen Blutstropfen nach Krankheitsmarkern fahnden, die Struktur und Dynamik einzelner Proteine im Körper aufklären oder hochgenaue chemische Analysen von Oberflächen durchführen. Bisher sind Anwendungen der Kernspinresonanz wie die medizinische MRT-Bildgebung oder die NMR-Spektroskopie nicht sensitiv genug, um solche Untersuchungen zu ermöglichen. Doch nun will Professor Martin Plenio den Weg zur Kernspinresonanz auf der Mikro- und Nanoskala mithilfe der Quantentechnologie ebnen. Für dieses innovative, aber auch riskante Forschungsvorhaben hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dem Theoretischen Physiker ein Reinhart Koselleck-Projekt und über 1,5 Millionen Euro für fünf Jahre bewilligt: Im Rahmen dieser sehr selten vergebenen Forschungsförderung haben durch besondere wissenschaftliche Leistungen ausgewiesene Forschende die Möglichkeit, relevanten Fragestellungen mit unklaren Erfolgsaussichten nachzugehen. Die Kernspinresonanz bildet die Grundlage der NMR-Spektroskopie, einer Standardmethode zur Untersuchung von Atomen und Molekülen in den Naturwissenschaften, sowie der medizinischen Bildgebung mittels Magnetresonanztomographie (MRT). Diese Anwendungen nutzen Kernspins, um die Struktur der molekularen magnetischen Umgebung aufzuklären und erreichen dabei eine hohe Spezifizität. Allerdings sind derzeitige Geräte, die in Forschungseinrichtungen oder Krankenhäusern eingesetzt werden, nicht sehr empfindlich und benötigen extrem starke Magnetfelder. „Die relativ geringe Sensitivität heutiger NMR-Geräte führt zu einem ungünstigen Signal-zu-Rauschen-Verhältnis und schränkt ihre Anwendbarkeit bei kleinen Proben stark ein“, erläutert Professor Martin Plenio, Leiter des Instituts für Theoretische Physik an der Universität Ulm. Im Zuge des Reinhart Koselleck-Projektes will Plenio die Grenzen der Kernspinresonanz mit Quantentechnologie überwinden. Ziel sind kleine, kosteneffiziente NMR-Geräte, die einfach zu handhaben sind, und auch beispielsweise in der Hausarztpraxis Anwendung finden können. Auf dem Weg dahin spielen künstliche Nanodiamanten eine Schlüsselrolle. Neben verbesserten Kontroll- und Detektionsmethoden wollen die Forschenden um Plenio Diamanthybridarchitekturen so optimieren, dass sowohl die Robustheit gegenüber dem Rauschen als auch die Sensitivität für NMR-Signale erhöht wird. Ein wichtiges Ziel dabei ist die Hyperpolarisation: In den Farbstoffzentren der künstlichen Diamanten kann der Elektronenspin der kleinsten Teilchen kontrolliert ausgerichtet werden. Gelingt es, diese Ausrichtung auf die umgebenden Moleküle zu übertragen, sodass alle magnetischen Momente in dieselbe Richtung zeigen, ist die Hyperpolarisation erreicht. In diesem Zustand wäre das NMR-Signal im besten Fall um den Faktor 100 000 verstärkt, und entsprechende Geräte könnten eine nie dagewesene Sensitivität erreichen. Allerdings wäre das verstärkte Signal weiterhin verrauscht und schwierig zu detektieren. Mit Methoden aus der Signalverarbeitung muss also das für die Forschenden relevante Signal vom Rauschen getrennt werden. „In den letzten Jahren sind bei der Forschung zur Detektion von Gravitationswellen viele Grundlagen zur Substraktion des Rauschens gelegt worden, die wir womöglich auf das Koselleck-Projekt übertragen können“, erklärt Martin Plenio, der 2009 als Alexander von Humboldt-Professor an die Universität Ulm gekommen ist. In der Signalverarbeitung und beim maschinellen Lernen ist er auf die Expertise von Informatikern oder Ingenieuren angewiesen, die im Zuge des Projekts e ingestellt werden sollen. Weiterhin arbeitet der Theoretiker Martin Plenio eng mit Experimentalphysikern wie dem Ulmer Experten für künstliche Diamanten, Professor Fedor Jelezko, zusammen. Erfolgsversprechende analytische Arbeiten und Computersimulationen werden in Jelezkos Laboren umgesetzt. Somit profitiert die theoretische Forschung vom Kontakt zur experimentellen Realität. Den idealen Rahmen für das Reinhart Koselleck-Projekt bietet das Zentrum für Quanten- und Biowissenschaften (ZQB), das zeitnah bezogen wird: In dem einzigartigen Forschungsbau werden Naturwissenschaftler, Molekularmediziner und etwa Ingenieure Tür an Tür arbeiten. „Die Bewilligung des Reinhart Koselleck-Projekts ist auch ein erster Erfolg des ZQB“, betont Martin Plenio. Doch warum bewertet die DFG das Projekt als „risikobehaftet“? Wenn alles gut läuft, können die Forschenden in fünf Jahren die Umsetzbarkeit nanoskaliger NMR-Messungen demonstrieren und damit beginnen, entsprechende Geräte bis zur Marktreife zu entwickeln. Allerdings könnte sich auch herausstellen, dass solche hoch auflösenden NMR-Anwendungen auf der Mikro- und Nanoskala derzeit nicht entwickelt werden können. Doch auch wenn das Endziel vielleicht nicht erreicht wird: In jedem Fall erlangen die Forschenden nützliche Erkenntnisse für die Quantensensorik, die womöglich in neue Technologien münden. Weiterhin liefert Professor Martin Plenios Vorhaben das erste „Anwendungsbeispiel“ des Gebäudes ZQB: Das Koselleck-Projekt wird erst durch den engen Kontakt von Forschenden aus Physik, Chemie und Medizin möglich.



Grüne

Termine & Kino

weitere Termine
Sparkasse Neu-Ulm - Illertissen 1
Jan 28

Fremde Frau im Bett - Mann ruft Polizei um Hilfe
 Am Freitag, gegen 12.30 Uhr, meldete sich ein 56-jähriger Mann bei der Polizei. Er hatte eine fremde...weiterlesen


Feb 07

Nach Großbrand bei Autozulieferer Burgmaier in Allmendingen: Landrat Scheffold dankt Einsatzkräften
"Ich wünsche den Firmeninhabern und allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern viel Kraft für die kommenden...weiterlesen


Jan 30

30-jähriger Autofahrer tödlich verunglückt
Am Montagmorgen kam ein 30-Jähriger bei Blaubeuren mit seinem Auto von der Straße ab und überschlug...weiterlesen


Jan 24

17-jähriger Gliedvorzeiger belästigt 78 Jahre alte Frau in Neu-Ulm
Am Sonntagnachmittag ging bei der Polizeiinspektion Neu-Ulm die Mitteilung über einen Gliedvorzeiger ein. weiterlesen


Feb 08

Brutaler Angriff in Ulmer Innenstadt: Vier Männer verletzten 25-jährigen Polizisten schwer
Ein 25-Jähriger ist bei einem brutalen Angriff in der Nacht zum Mittwoch in Ulm lebensgefährlich am Kopf...weiterlesen


Jan 27

Liebesbetrug: Polizei nimmt 27-jährige Frau in Neu-Ulm fest
Über mehrere Wochen führte ein 28-Jähriger aus Neu-Ulm eine Internet-Beziehung zu seiner vermeintlichen...weiterlesen


Jan 29

Mehrere Verletzte: Jugendbande greift Passanten in Innenstadt an
In der Nacht von Samstag auf Sonntag war in der Biberacher Innenstadt eine Gruppe Jugendlicher und junger...weiterlesen


Jan 27

B 10 in Ulm: Einschränkungen an den Auf- und Abfahrten
 Der Zustand der Wallstraßenbrücke in Ulm bereitet den Prüfingenieuren Kummer und daher verlangen sie...weiterlesen



Sparkasse Neu-Ulm - Illertissen 1

 
© ulm-news.de, Nachrichten für Ulm und Umgebung   KONTAKT | FAQ | IMPRESSUM | DATENSCHUTZ nach oben