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Uni Bayreuth: Forscher entwickeln extrem belastbare Faser gleich Spinnenseide

Die Eigenschaften, die ein internationales Forscherteam entdeckt hat, sollen bei Kunstfasern bisher einzigartig sein, wie die Uni Bayreuth mitteilt. Sie haben eine extrem leichte und zugleich starke Faser entwickelt, die echter Spinnenseide gleicht.

Elektrospinnen einer multifibrillaren Polyacrylnitrilfaser. Foto: Universität Bayreuth / Jürgen Rennecke.

Extrem belastbar

Die Faser sei sehr zäh und zugfest: “Eine einzelne Faser ist so dünn wie ein menschliches Haar, wiegt weniger als eine Fruchtfliege und ist dennoch sehr stark: Sie kann ein Gewicht von 30 Gramm heben, ohne zu reißen”, sagt Andreas Greiner von der Universität Bayreuth, der Leiter der Studie, die im Fachmagazin “Science” veröffentlicht worden ist. Tragen könne sie somit circa das 150.000-fache ihres eigenen Gewichts. Außerdem seien sogenannte Polymerfasern in der Herstellung – anders als echte Spinnenseide – relativ günstig.

Prof. Dr. Andreas Greiner. Foto: Universität Bayreuth

Unser Grundmaterial ist ein Allerweltskunststoff und in großen Mengen verfügbar. Die Verarbeitungsmethode und das Additiv machen den Trick aus.

(Prof. Andreas Greiner, Uni Bayreuth)

Die Faser eigne sich für technische Bauteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind: Zum Beispiel im Automobilbau oder in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Aber auch für Textilien oder in der Medizin könne man sie einsetzen. Entstanden ist die Faser aus dem Grundstoff Polyacrylnitril. Ihm wurde eine Art chemischer Klebstoff beigefügt, damit sich die Fasern längs verknüpfen konnten. An der Studie beteiligt waren Forscher aus Deutschland, China und der Schweiz.

Neue IT-Strukturen für 21 Bayreuther Schulen

Im Rahmen des “DigitalPakt Schule 2019-2024” stellt der Bund dem Freistaat Bayern 778 Millionen Euro zur Verfügung um die digitale Bildungs-Infrastruktur auszubauen. Wie die Umsetzung in Bayreuth erfolgen soll, wird ab sofort geprüft.

Neues Equipment in 21 Schulen

Durch die Förderung sollen zum Beispiel das WLAN in den Schulen oder die Ausstattung der Unterrichtsräume  mit Dokumenten-Kameras, Beamern, Laptops, Meß- oder Laborgeräten verbessert werden – um nur einige Beispiele zu nennen. Vorerst muss allerdings eine Analyse des aktuellen Bestandes durch einen externen Dienstleister erfolgen. Danach kann entschieden werden, welche Investitionen in den 21 Bayreuther Schulen nötig sind.

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Förderung auf fünf Jahre begrenzt

Die finanzielle Förderung für Investitionen ist allerdings auf fünf Jahre begrenzt. Alle Kosten, die danach anfallen, muss die Stadt selbst tragen, wie Michael Rubenbauer aus dem Referat Finanzen, Stiftungen und Informationstechnik betont.

Externe Medienberater werden das Konzept absegnen. Das Volumen der Anschaffungen kann die Stadt dabei nicht beeinflussen. Die Kosten für die  Systembetreuung in den 21 Schulen muss zu 100 Prozent die Stadt Bayreuth tragen.

(Michael Rubenbauer, Referent für Finanzen, Stiftungen und Informationstechnik)

Wichtig ist es im Anschluss Betrieb, Wartung und IT-Support zu gewährleisten – was allerdings durch den “DigitalPakt Schule 2019-2024” nicht gefördert werden kann. Bisher geht die Verwaltung davon aus, dass sechs Stellen für die Systembetreuung nötig sind.

Fokus auf Professionalität

“Bisher wird die Systembetreuung von Lehrern übernommen. Das ist auf Dauer kein guter Zustand”, sagte Stadtrat Michael Hohl (CSU) im Haupt- und Finanzausschuss. Wichtig ist der Stadtverwaltung eine professionelle Systembetreuung, um die nachhaltige Funktionsfähigkeit der Ausstattung zu garantieren. Denkbare ist die Betreuung über einen externen IT-Dienstleister oder die Einstellung von IT-Fachkräften bei der Stadt Bayreuth.

Ernährung in der Zukunft: Bayreuther Studenten entwickeln Cooking Room

Im Rahmen der Ideation Week an der Uni Bayreuth haben sich 25 Studenten Gedanken über die Ernährungsformen der Zukunft gemacht. Fünf Teams entwickelten im Zeitraum von Montag bis Freitag Ideen für den diesjährigen Unternehmenspartner Siemens Home Appliances. Der “Cooking Room” ist eine davon. Anne Krombacher erzählt stellvertretend für ihr Team, was es damit auf sich hat. Ein Video gibt’s über dem Text.

(v.l.) Die Studenten Manuel Brinkmann, Franziska Braun, Sven Pörtner, Anne Krombacher und Anne Reichl haben bei der Ideation Week den “Cooking Room” entworfen. Foto: Carolin Richter

Wegen der Sehnsucht nach Gesellschaft und Genuss

“Immer mehr Leute leben in Single-Haushalten, haben täglich ein hohes Arbeitspensum zu bewältigen und kochen nur noch wenig für sich selbst”, erklärt Anne Krombacher. Die Lösung, die sie mit ihren Teamkollegen entwickelt hat, soll auf diese Bedürfnisse eingehen: die Sehnsucht nach Gesellschaft, immer kleinere Küchen und auch darauf, die Freude am Genuss nicht zu verlieren. Nachdem die fünf Master-Studenten aus den Fachbereichen BWL und Wirtschaftsingenieurwesen gemeinsam getüftelt haben, ist die Idee zum ‘Cooking Room’ entstanden. “Da wir aus unterschiedlichen Fachbereichen kommen, haben wir uns super ergänzt”, fügt Manuel Brinkmann hinzu.

Die Idee: Gemeinsam Kochen und neue Leute kennen lernen

Der ‘Cooking Room’ sei ein Raum, den man buchen kann – einerseits für sich alleine, um dann dort neue Leute beim Kochen kennen zu lernen oder man könne ihn auch für Feste oder größere Gruppen buchen, erklärt die Studentin. Der Theorie nach, könne er in sich in jeder größeren Stadt befinden.

Wahl der Gerichte über eine App

“Vorher kann man via App entscheiden, welches Gericht man dort kochen möchte. Alle Zutaten sind dann vor Ort in einem gekühlten Fach fertig zusammengestellt”, sagt Anne Krombacher. Die regelmäßige Bestückung mit frischen Lebensmitteln und die Reinigung, übernehme ein externer Dienstleister. “Das Fach lässt sich nur mit einem bestimmten Zahlencode öffnen, den man auch über die App bekommt”, ergänzt sie.

Beispiel für ein Fach mit zusammengestellten Lebensmitteln, dass sich via Zahlencode öffnen lässt. Foto: Carolin Richter

 

 

 

“Was noch wichtig ist, die Lebensmittel darin sollen auch alle aus der Region und Bio sein”, sagt sie. Alle Rezepte, die man brauche, könne man direkt im Cooking Room über ein Tablet abrufen. Übrig gebliebene Lebensmittel, könne man im Anschluss, indem man sie in ein separates Kühlfach legt, spenden.

Via Anleitung im Tablet, lassen sich die Rezepte ganz einfach im Cooking Room realisieren. Foto: Carolin Richter

“Ich war überrascht, dass es in so kurzer Zeit möglich war, die Idee zu entwickeln”, sagt Anne Krombacher. Die anderen stimmen ihr zu. “Auch wenn es nicht leicht war”, ergänzt sie und schaut verlegen nach unten.

Hintergrund zur Aufgabenstellung

“Die Studenten hören am Anfang der Ideation Week einen Impulsvortrag, der bestimmte Problemstellung vorgibt”, erklärt Jens Hoyer vom diesjährigen Partner-Unternehmen Siemes Home Appliances. Täglich ist fix, welche Schritte die Teams von der Idee bis zur finalen Ausarbeitung erledigen müssen. “Diesmal haben wir die Vorgabe gegeben, dass es um leistungsorientierte Menschen gehen soll, die im Alltag gestresst sind, aber eigentlich gerne genießen. Für sich selbst kochen die meisten, dann nicht so ausgewogen, wie sie es in Gesellschaft täten”, sagt Hoyer. Diese Zielgruppe sollte mit den globalen Trends zu mehr innerer Ruhe und zur Nachhaltigkeit verknüpft werden. Daraus entwickeln die Teams dann ihre Ideen.

Chance auf Umsetzung der Idee

Die Ideation Week finde zweimal pro Jahr statt. Wenn die Idee eines Teams gut ist, hat sie sogar die Chance vom Unternehmen weiter ausgearbeitet und umgesetzt zu werden. “Wir suchen bewusst gründungsorientierte Teilnehmer für die Ideation Week aus”, erklärt die wissenschaftliche Leiterin des Projekts, Olivia Hofmann, von der Uni Bayreuth. Diesmal hätten sich 70 Studierende mit einem Motivationsschreiben beworben. 25 haben dann die Chance bekommen teilzunehmen.

Jens Hoyer, Zuständiger für Design, Prozesse und Strategie bei Siemens Hausgeräte. Foto: Carolin Richter

Ich lenke die Studenten im Prozess so gut wie gar nicht, damit sie ihre Gedanken so frei wie möglich entfalten können. Erst am letzten Tag der Ideation Week bekommen sie, nach der Präsentation ihrer Lösung, Feedback von mir. Dabei sollen die Studierenden auch ein Business-Modell begleitend zur Idee entwickeln. Das macht es leichter, das Potential der Idee zu bewerten.

(Jens Hoyer, Zuständiger für Design, Prozesse und Strategie bei Siemens Home Appliances)

Forscherin der Uni Bayreuth, Iana Kim

Selbstheilung: Bayreuther Biochemiker forschen mit Würmern

Planarien oder sogenannte Strudelwürmer haben eine besondere Gabe: Sie können abgetrennte Teile ihres Körpers wieder herstellen. Diese Regeneration wird durch spezielle Proteine ermöglicht. Biochemiker der Universität Bayreuth haben diese Proteine deswegen genauer erforscht.

Das Bayreuther Forscherteam rund um Biochemiker Dr. Claus Kuhn verwendete Plattwürmer der Spezies “Schmidtea mediterranea” bei den Studien. In den Stammzellen dieser Tiere befanden sich zwei unterschiedliche Proteine. Sie sorgen dafür, dass die Würmer lebensfähig sind und sich immer wieder regenerieren können.

Für stabile Erb-Informationen

Wie die Bayreuther Forscher herausgefunden haben, sorgen die Proteine durch diverse Prozesse dafür, dass die Erbinformationen in den Stammzellen der Würmer stabilisiert werden. Zwar wirken diese Proteine in wenigen Zellen des Menschen, genauer gesagt in dessen Keimzellen, ähnlich. Allerdings sind sie bei den Würmern in viel größerer Zahl vorhanden und wirken bei unterschiedlichen Typen von Zellen, statt nur bei einer bestimmten. Durch diese Vielseitigkeit seien die Würmer besonders gut zur Forschung geeignet, wie Kuhn sagt.

Außerdem fanden die Forscher eine weitere Funktion: An den Punkten, an denen die Proteine angedockt haben, wurden teilweise Moleküle gebildet, die Informationen zu einer Verknüpfung von mehreren Proteinen enthielten. Weitere Funktionen der Proteine werden noch erforscht.

Uni Bayreuth: Blutgefäße aus dem 4D-Drucker

Feinstrukturierte Blutgefäße können in Zukunft möglicherweise mit einem Drucker hergestellt werden. Die Grundlagen dafür erforscht der Chemiker und Materialwissenschaftler Leonid Ionov mit einer Arbeitsgruppe an der Universität Bayreuth.

Arpan Biswas, Postdoc am Lehrstuhl für Biofabrikation der Universität Bayreuth, und Lehrstuhlinhaber Leonid Ionov (rechts). Foto: Christian Wißler.

120.000 Euro von Volkswagen

Das Ziel: Dünne Polymerschichten sollen so strukturiert werden, dass die Moleküle von selbst Gefäße in den verschiedensten Größen und Strukturen herstellen. Ein 4D-Drucker, der die Zeit als vierte Dimension einbezieht, soll die Schichten erzeugen und in die nötigen Ausgangspositionen bringen. Das kürzlich gestartete Vorhaben wird von der VolkswagenStiftung mit 120.000 Euro gefördert.

Trotz der enormen Fortschritte in der Implantationsmedizin gibt es für die Herausforderung, feinste Blutgefäße mit hoher Präzision in den jeweils benötigten Strukturen herzustellen, noch keine befriedigende Lösung. In unserem Projekt verfolgen wir daher einen neuen Ansatz, der zwei wissenschaftliche Arbeitsgebiete kombiniert: Die Polymerwissenschaften erforschen die Fähigkeit von Molekülen, sich unter definierten Bedingungen in neuen räumlichen Strukturen zu organisieren, und haben dabei beeindruckende Resultate erzielt. Parallel dazu sind Techniken und Anwendungen des 4D-Drucks zunehmend verfeinert worden. Deshalb wollen wir jetzt Polymerschichten drucken, die so strukturiert sind und miteinander wechselwirken, dass daraus von selbst Gefäßstrukturen entstehen, wie sie in der Medizin benötigt werden.

(Leonid Ionov, Projektleiter)

Charakteristisch für Blutgefäße sind sogenannte „Kreuzungen“, bei denen sich zwei Gefäße zu einem neuen Gefäß verbinden. Diese Strukturelemente können mit den bisherigen Techniken des 3D-Drucks nicht mit der nötigen Präzision reproduziert werden. Indem die Bayreuther Forscher die Druck-Programmierung nicht nur auf räumliche Strukturen, sondern auch auf die Zeit als vierte Dimension ausrichten, wollen sie eine sogenannte  molekulare Selbstorganisation ermöglichen, die solche Kreuzungen erzeugt – ohne dass die Verbindungen zwischen den jeweiligen Gefäßen undicht sind. Die Wissenschaftler bezeichnen ihr Vorhaben auch als „Mikro-Origami“. Der Name spielt auf die japanische Faltkunst an, die allein durch die in ihrer zeitlichen Abfolge definierten Papierfaltungen die unterschiedlichsten Figuren und Muster hervorbringt.

Nächster Schritt: Materialien finden

Wenn sich die Forschungsarbeiten als erfolgreich erweisen, stehen die Bayreuther Wissenschaftler vor einer weiteren Herausforderung: polymere Materialien zu finden, die nicht allein die nötigen Potenziale zur Selbstorganisation aufweisen, sondern auch im Organismus keine Abstoßungsreaktionen oder Infektionen hervorrufen.

Schüler Josef Gothart vom MWG

“Schüler experimentieren”: Zweiter Platz für Josef Gothart aus Bayreuth

Beim Landeswettbewerb “Schüler experimentieren”, der Juniorsparte von “Jugend forscht”, gingen diesmal der erste, zweite und auch der dritte Platz nach Oberfranken.

Zweiter Platz für Josef Gothart

Der zweite Platz ging beim Landeswettbewerb im Fachbereich Chemie an den 13-jährigen Josef Gothart aus Bayreuth. Der Schüler des Markgräfin Wilhelmine Gymnasiums Bayreuth hat sich mit der “Herstellung und Analyse von Wasserkefir” beschäftigt.

In meinem Projekt geht es darum, dass ich den Alkoholgehalt von Wasserkefir bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Zugaben von Früchten mit photometrischen Maßnahmen und verschiedenen Chemikalien, die den Proben hinzugefügt werden, herausfinden will. Wasserkefir Ernährt sich von dem Zucker der Früchte und verstoffwechselt ihn zu Alkohol.

(Josef Gothart, Schüler des Markgräfin Wilhelmine Gymnasiums)

Junge Forscher aus Bamberg und Hof

Die Brüder Fabian und Jonas Gärtig aus Bamberg dürfen sich über den ersten Platz im Fachbereich Geo- und Raumwissenschaften freuen: Die Schüler des Clavius-Gymnasium Bamberg und der Domschule Bamberg konnten die Jury mit ihrem Projekt „Feinstaubalarm?!“ überzeugen. Dabei untersuchten sie mit einem selbstgebauten Messgerät, wie hoch die Feinstaubbelastung auf der Straße vor dem Clavius-Gymnasium und auch im Pausenhof ist.

Den Dritten Platz im Fachbereich Arbeitswelt erreichten Florian Czekalla und Jan-Niklas Köppel vom Schiller-Gymnasium Hof. Ihr Projekt: Die “Optimierung der Materialkontrolle von oleophoben und hydrophoben Vliesstoffen”.

Phsyiker der Uni Bayreuth am Schreibtisch

Uni Bayreuth: Wie man kranke von gesunden Blutzellen trennt

Ein Internationales Forschungsteam der Uni Bayreuth hat, im Fachbereich Physik, ein neues Verfahren entwickelt: Damit kann man kranke von gesunden Blutzellen ganz einfach trennen. Denn die Blutzellen unterscheiden sich, je nach Krankheit, durch ihren unterschiedlichen Härtegrad voneinander.

Was festgestellt wurde

Unter der Leitung des Bayreuther Physikers Prof. Dr. Walter Zimmermann haben die Forscher, mithilfe von Strömungen in winzigen Mikrokanälen, härtere von weicheren Zellen trennen können. Manchmal sind gesunde Zellen weicher, manchmal kranke Zellen. Das komme auf die Krankheit an. Allerdings wandern weiche und harte Zellen im Kanal zu unterschiedlichen Anziehungslinien. So kann man sie am Ende des Kanals leicht voneinander trennen. Welchen Nutzen hat das für die Praxis? Zum Beispiel lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie schwer eine Krankheit ausgeprägt ist.

Was bereits davor erforscht wurde

Mikrokanäle besitzen lediglich einen Durchmesser von 10 bis zu 500 Mikrometern. Der ausschlaggebende Punkt war ihre Form: Wie Forscher aus Bayreuth und Grenoble bereits zuvor herausfanden, beginnen sich Teilchen, wie Blut- oder Körperzellen, in der Strömung zu drehen. Bei geraden Kanalwänden, bewegten sie sich jeweils in die Mitte des Kanals. Auf dieser Linie, die anziehend wirkte, sammelten sich alle Teilchen.

„Wir waren daher neugierig darauf, wie sich weiche Teilchen verhalten, wenn sie in Strömungen durch Mikrokanäle mit welligen Wänden wandern. Diese Kanäle haben eine symmetrische Form, weil sie eine gerade Längsachse haben, während ihr Durchmesser abwechselnd kleiner und größer wird. Zuvor war noch nie untersucht worden, wie sich die Wanderungsbewegungen von Teilchen unter diesen Verhältnissen ändern.”

(Prof. Dr. Walter Zimmermann, Uni Bayreuth)

Welche Erkenntnis neu gewonnen wurde

Bei Mikrokanälen mit welligen Wänden, entstanden neben der mittigen Anziehungslinie, noch zwei weitere. Die Teilchen spalten sich nach Gewicht: Weiche Teilchen bewegten sich weiterhin auf einer Längsachse in Richtung Kanalmitte. Härtere Teilchen bewegten sich an den zwei zusätzlichen Anziehungslinien, diesmal wellenförmig, wie die Forscher aus Bayreuth, Grenoble und Jülich nun feststellten:

Teilchen im Mikrokanal - Uni Bayreuth - mit unterschiedlichen Seitenwänden

Verteilung von Teilchen in einem Mikrokanal mit geradlinigen (oben) und mit welligen (unten) Seitenwänden. Grafik: Christian Göppner.

 

„Aufgrund dieser grundlegenden physikalischen Entdeckung wollten wir herausfinden, ob sich daraus Anwendungen für die Medizin ableiten lassen, und haben das Verhalten von härteren und weicheren roten Blutzellen untersucht.”

(Winfried Schmidt M.Sc., Doktorand im Elite-Studienprogramm Biological Physics in Bayreuth)

Auch Teilchen, die unterschiedlich groß sind, können durch dieses Verfahren voneinander getrennt werden. Sie wandern ebenso auf unterschiedlichen Anziehungslinien.

„Unsere Resultate haben wir durch theoretische Überlegungen und Berechnungen sowie durch Computersimulationen erzielt. Physical Review Letters, eine der führenden Fachzeitschriften in der Physik, fand unsere Studie bereits ohne experimentelle Überprüfung so überzeugend, dass sie zur Veröffentlichung angenommen wurde.”

(Matthias Laumann M.Sc., Physik-Doktorand an der Universität Bayreuth)

Das Team freue sich darüber, wenn mehr Experimente von Forschern zu diesem Thema begonnen werden, so Zimmermann.