A7.2 FILTRELEC

2012-2013

Die Betriebskosten von Luftfiltersystemen werden zu über 70% durch deren Energieverbrauch verursacht. Das Filtermedium ist, obwohl selber nur ein kleiner Kostenfaktor, für die Energie-Effizienz dieses Systems verantwortlich. Im neuen Argovia-Projekt FILTRELEC arbeiten Wissenschaftler der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der beiden Firmen Jakob Härdi AG und Chematest zusammen. Gemeinsam wollen die Forschenden die Effizienz von Raumluftfiltern steigern.

Bei Partikelfiltern sind verschiedene Mechanismen für das Filtern von Partikeln unterschiedlicher Grösse verantwortlich. Grosse Partikel werden durch Kollision mit einem dreidimensionalen Netzwerk von Fasern herausgefiltert. Sehr kleine Partikel bleiben an den Fasern haften. Bei Partikeln von mittlerer Grösse sind diese beiden Mechanismen nur begrenzt wirksam. Durch sogenannte Elektret-Zusätze lässt sich die Effizienz für mittelgros-se Partikel jedoch steigern. Diese Nanoadditive bewirken eine permanente statische Aufladung der Fasern und damit eine virtuelle Vergrösserung des Faserdurchmessers. Verschiedene in der Umwelt auftretende Stoffe verursachen jedoch eine Entladung und damit verbunden eine Verminderung der Filterleistung. Im Projekt FILTRELEC untersuchen die Wissenschaftler nun, ob sich durch eine spezielle Modifikation der Nanoadditive und einem mehrschichtigen funktionalisierten Faseraufbau die Anfälligkeit gegenüber Entladung reduzieren lassen kann.

Im Projekt FILTRELEC arbeiten Forschende aus den Teams von Prof. Dr. Per Magnus Kristiansen (FHNW) und Prof. Dr. Jens Gobrecht (PSI) zusammen mit Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Firmen Jakob Härdi AG und Chematest.

A9.6.Nano-LTB

2012-2014

Im Rahmen des Projektes Nano-LTB untersuchen Forschende des Paul Scherrer Instituts (PSI: Prof. Helena Van Swygenhoven and Dr. S. Van Petegem) zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW: Prof. Arne Wahlen, Prof. Nobert Hofmann) und der Firma ABB (Dr. Chunlei Liu) eine innovative, neue Methode, um elektronische Chips auf ihrem Substrat zu fixieren. Sie analysieren dabei den genauen Aufbau der Verbindungsschichten, ihre thermo-mechanischen Eigenschaften sowie Belastbarkeit und Ermüdung.
In der Stromelektronik-Industrie finden zurzeit grosse Veränderungen statt. Immer wichtiger wird es, grosse Mengen Strom zu transportieren und zu konvertieren, beispielsweise beim Einsatz von Hybridfahrzeugen oder bei der Umwandlung des Stroms aus Windkraft- oder Solaranlagen. Die elektronischen Kernstücke von Geräten, die dies leisten, sind oft Module aus zahlreichen elektronischen Schaltkreisen (Chips). Diese sind aus Halbleitern aufgebaut, die für grosse Stromstärken ausgelegt und auf einem Keramiksubstrat fixiert sind. Aufgrund der erhöhten Leistung in den Systemen, steigt die Temperatur in den Chips und den Verbindungsstellen von 125°C auf 175°C und mehr.

Mit ihrem Substrat sind die Chips heutzutage meist durch ein bleihaltiges Lötmaterial verbunden. Bei Temperaturen von 175°C, wie sie in Zukunft erreicht werden, ermüden diese Verbindungen jedoch recht schnell. Es gilt daher, eine alternative Fixierung der Chips auf dem Substrat zu finden, die auch bei hohen Temperaturen dauerhaft Bestand hat. Zahlreiche Firmen untersuchen nun eine Lötung bei niedrigen Temperaturen mit gesinterten Nanosilberpartikeln. Sie scheinen sehr viel robuster und besser geeignet zu sein als die bisher gebrauchten Legierungen, wenn höhere Temperaturen vorliegen. Zurzeit existieren jedoch nur wenige Messungen, welche die Eigenschaften dieser neuen Verbindungsschichten aufzeigen.

Im Rahmen von Nano-LTB arbeiten daher die verschiedenen Wissenschaftlerteam des PSIs, der FHNW und der Firma ABB eng zusammen, um das thermo-mechanische Deformationsverhalten der porösen Nanosilberschichten zu untersuchen und Voraussagen über die Lebensdauer dieser Schichten zu treffen. Die Ergebnisse dieser Forschung können genutzt werden, um Qualitätssicherungsmethoden zu entwickeln und die Lebensdauer vorherzusagen. Sie werden zudem helfen, den Produktionsprozess zu optimieren.

A7.5 NanoFACTs

2012-2013

Das Argovia-Projekt nanoFACTS soll wesentlich dazu beitragen, neuartige Textilien mit aktiver Kühlfunktion zu entwickeln. Derartige Funktionskleidung könnte beispielsweise von Feuerwehrleuten unter ihrer Schutzkleidung getragen werden. Kühlende Wäsche würde bei der Arbeit eine enorme Erleichterung bringen und damit auch zur Sicherheit der Einsatzkräfte beitragen.

Funktionskleidung ist aus unseren Kleiderschränken nicht mehr wegzudenken. Doch nicht nur für den Freizeitbedarf, sondern auch bei Arbeitskleidung bieten innovative Technologien neue Möglichkeiten, um Kleidung mit besonderen Funktionen auszustatten. Ein Weg, Stoffe zu funktionalisieren ist, aktive Materialien einzukapseln und auf die Oberfläche aufzutragen. Dabei dürfen die Kapseln nicht zu gross sein, um dauerhaft an der Oberfläche zu haften und nicht zu schnell abgetragen zu werden. Andererseits müssen die Kapseln auch eine Mindestgrösse besitzen, da sonst nicht genügend aktives Material aufgebracht werden kann. Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimale Kapselgrösse zwischen 100 und 10´000 Nanometern liegt. Zurzeit existiert jedoch keine geeignete Methode, um Materialien in Kapseln dieser Grössenordnung einzupacken.

Im Rahmen des Projektes nanoFACTS versuchen nun Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von der Fachhochschule Nordwestschweiz (Professor Dr. Uwe Pieles, Dr. Olfa Glaid, Dr. Johan Grognoux), der Universität Basel (Professor Dr. Wolfgang Meier, Dr. Nico Bruns, Dr. Cornelia Pailvan, Dr. Olivier Braissant) und der Firma HeiQ Materials (Dr. Murray Height, Dr. Christoph Bradbury) zwei Methoden zu etablieren, mit der Kapseln in der gewünschten Grösse hergestellt werden können. Zum einen werden sie bestehende Emulsionstechnologien weiterentwickeln und damit kleinere Kapseln erhalten (Top-Down-Ansatz). Zum anderen werden sie neuartige Techniken anwenden und aus Vesikeln grössere Einheiten aufbauen (Bottom-up-Ansatz). Zunächst beschränken sich die Arbeiten auf die Herstellung von Textilien mit thermoregulatorischen Funktionen. Ist die Methode jedoch erst einmal etabliert, können auch andere funktionalisierte Kapseln verwendet werden.

A7.6 NanoMorph

2012-2014

Im Projekt NanoMorph arbeiten Wissenschaftler aus den Teams von Prof. Patrick Shahgaldian (FHNW), Prof. Thomas Jung (PSI und Universität Basel) sowie der Firma RPD Tools zusammen, um ein Gerät zu entwickeln, mit dem in einem Hochdurchsatz-Verfahren verschiedene kristalline Formen medizinischer Wirkstoffe untersucht werden können.

Wirkstoffe in Medikamenten kommen oft in verschiedenen kristallinen Formen vor (Polymorphe), die sich in ihren physikalisch-chemischen aber auch in ihren biologisch-pharmakologischen Eigenschaften deutlich unterscheiden können. Patente werden von den zuständigen Arzneimittelbehörden jeweils nur auf eine bestimmte Form mit genau beschriebenen Eigenschaften vergeben. Für Pharmafirmen ist es daher entscheidend, schon in einem frühen Entwicklungsstadium die verschiedenen Polymorphe einer Substanz genau zu kennen und ihre Eigenschaften zu definieren.

Nanostrukturierte, sich selbst anordnende Oberflächen liefern für diese Aufgabe einen neuen Ansatz. An ihnen beginnt die Kristallisation einer in der Testlösung gelösten Verbindung, wenn die Struktur der Oberfläche dem Kristallgittermuster entspricht. Dabei scheint sich die stark organisierte Struktur der zweidimensionalen Oberfläche in die dritte Dimension zu übertragen. Die Oberfläche fungiert also sozusagen als Vorlage für die Kristallisation. Chemische Bausteine der Oberflächenschicht spielen bei diesem Prozess eine Rolle, aber auch ihre Anordnung und Packungsdichte. Durch Variation dieser Faktoren, kann die Kristallisation bestimmter Polymorphe kontrolliert werden.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Nano-Argovia-Projekt NanoMorph stellen nun zunächst neue sich selbst anordnende Oberflächen her und analysieren diese spektroskopisch und mikroskopisch. Anschliessend testen sie die Kristallisation verschiedener pharmazeutischer Wirkstoffe. Im abschliessenden Teil des Projektes soll ein kommerzielles System aufgebaut werden, das im Hochdurchsatz-Verfahren die schnelle und effektive Analyse zahlreicher Verbindung erlaubt.

A7.7 NoViDeMo

2012-2014

Ziel des Projektes NoViDeMo ist es, ein Messgerät zur Echtzeitanalyse von Viskosität und Dichte von Flüssigkeiten zu entwickeln. Um dies zu erreichen vereinen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Teams um Dr. Thomas Braun (Universität Basel), Dr. Joachim Köser und Dr. Olfa Glaied (FHNW), Dr. Jürgen Hench (Universitätsspital Basel) und Mike Touzin (Endress + Hauser Flowtec AG) ihre Expertisen und arbeiten Hand in Hand.

Der Ansatz, den die Wissenschaftler verfolgen, beruht auf der Federbalken-Technologie. Dabei werden kleinste Federbalken in Schwingungen versetzt. Jede Veränderung dieser Schwingung beispielsweise durch veränderte Dichte oder Viskosität der umgebenden Flüssigkeit, lässt sich präzise messen. Das Verfahren kommt ohne jede Markierung aus und lässt sich auch für kleinste Flüssigkeitsmengen im Bereich von unter 50 µl anwenden.

In einem ersten Schritt des Projektes wird eine existierende Mess-Plattform optimiert. Anschliessend untersuchen die Forscherinnen und Forscher die Anwendung des Tests für verschiedene industrielle Fragestellungen. Dazu gehört die Qualitätskontrolle einer grossen Bandbreite von Flüssigkeiten. Aber auch die Echtzeitbeobachtung von chemischen Polymerisationsreaktionen ist für die Forschenden von Interesse. Da die Zähigkeit einer Flüssigkeit auch von dem Zustand der gelösten Substanzen abhängt (Faltung, Polymerisationsgrad), lassen sich mit Hilfe des nanomechanischen Viskosimeters chemische und molekulare Reaktionen verfolgen. Wichtig könnte so eine kontinuierliche Überwachung eines chemischen Prozesses beispielsweise sein, wenn die Polymerisation an einem bestimmten Punkt abgebrochen werden soll. Neben weiteren Ansätzen verfolgt das interdisziplinäre Wissenschaftlerteam auch den Einsatz der Plattform als Sensor für die biomedizinische Forschung. Hierzu untersuchen sie die Bündelung des Tau-Proteins, das mit der Entstehung der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht wird. Substanzen, die diese Aggregation verhindern oder stimulieren, könnten so schnell und effektiv identifiziert werden.

Die Diversität der Aufgaben innerhalb des Projektes NoViDeMo verlangt ein grosses Mass an interdisziplinärer Zusammenarbeit. So wurde ein Prototyp des nanomechanischen Viskosimeters von der Gruppe um Prof. Christoph Gerber (SNI) entwickelt. Innerhalb des vorgestellten Projektes NoViDeMo sind es nun die Experten vom Center for Cellular Imaging and NanoAnalytics des Biozentrums (Dr. Thomas Braun), die eng zusammen arbeiten mit Fachleuten vom Institut für Chemie und Bioanalytik der FHNW (Dr. Joachim Köser, Dr. Olfa Glaied) sowie der Pathologie am Universitätsspital (Dr. Jürgen Hench). Ihre Erfahrung aus der Industrie steuern Mitarbeitende von Endress+Hauser bei.

A7.9 WBG-NPA

2012-2013

Im Projekt WBG-NPA untersuchen Wissenschaftlerteams von Prof. Ernst Meyer (Universität Basel), Prof. Thomas Jung (Universität Basel und Paul Scherrer Institut) und Dr. Holger Bartolf (ABB Corporate Research Center, Power Semiconductors) neuartige Halbleiter, die als elektronische Schalter für grosse Stromstärken eingesetzt werden können, mit Hilfe verschiedener Rastersondenmikroskope auf der Nanometerskala.

Die neuen Halbleiter aus sogenannten Wide-Band Gap (WBG) – Materialien, sind Festkörper, die aufgrund ihrer speziellen Struktur als Leistungsschalter für hohe Stromstärken eingesetzt werden können. Abhängig ist die Leitfähigkeit des Halbleiters von der chemischen Zusammensetzung und Struktur aber auch von der Temperatur. Mit Hilfe von Fremdatomen (Dotieratome) im Halbleiter kann die Leitfähigkeit zudem verändert werden. Aufgrund ihrer schnellen Schaltfähigkeiten für hohe Strom- und Spannungsklassen, werden Leistungshalbleiter in elektronischen Konvertern und Umrichtern eingesetzt. Diese werden beispielsweise benötigt, um erneuerbare Energie aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen, in eine für das Stromnetz kompatible Form umzuwandeln. Halbleiter, die als derartige Leistungsschalter benutzt werden, müssen so aufgebaut sein, dass sie sehr hohe Stromstärken schalten können und unter den entsprechenden Gebrauchsbedingungen möglichst wenig Energieverluste aufweisen.

Die im Projekt WBG-NPA untersuchten Halbleiter erfüllen diese Anforderungen. In ihnen müssen die Elektronen vergleichsweise stark angeregt werden, damit Strom fliessen kann. Sie bestehen aus Materialien wie Siliziumcarbid oder Galliumnitrid. Dazu werden in die Halbleiter noch verschiedene Fremdatome eingebaut (Dotierung), mit denen sich die Leitfähigkeit gezielt steuern lässt. Bis heute ist der Dotierprozess auf nanoskopischer Skala jedoch relativ wenig untersucht worden. Daher wollen die Wissenschaftlerteams in ihrem Projekt verschiedene Rasterkraftmikroskope einsetzen, um die Halbleiter in verschiedenen Stadien zu studieren. Besonderes Interesse haben sie an den Dotieratomen. So werden die Forschenden Profile der Fremdatome erstellen und ihre Konzentrationen erfassen. In einem weiteren Schritt werden diese experimentellen Daten mit numerischen Simulationen verglichen. Nur mit den besonderen Rasterkraftmikroskopen an der Universität Basel und am PSI lassen sich derartige Daten erfassen.

A7.10 NANOCURE

2012-2013

Im Rahmen des Projektes NANOCURE untersucht das Projektteam um die Wissenschaftler Professor Dr. Uwe Pieles (FHNW), Professor Dr. Bert Müller (Universität Basel) und Michael Hug (credentis ag) einen neuartigen Ansatz zur Behandlung kariöser Zähne.

Der menschliche Körper hat ein grosses Potenzial zur Selbstheilung. Dabei wird in vielen Prozessen ständig Gewebe auf- und abgebaut. So unterliegt auch der Zahn bei der Aufnahme von Nahrung einem permanenten Demineralisations- und Remineralisations-Zyklus. Wird dieses Gleichgewicht gestört, kann der Zahn nicht mehr remineralisiert werden und Karies entsteht. Dies ist jeweils abhängig von der Mundhygiene, der bevorzugten Nahrung und der Mundflora. In einem ersten Schritt wird an den schwächsten Stellen im Zahn das Zahnmineral durch bakterielle Säure abgebaut. Dabei entstehen sogenannte Initialläsionen oder „white spots“, die bis heute nur selten spontan remineralisieren und nicht regeneriert werden können. Schreitet Karies weiter fort, bricht die pseudointakte Oberfläche ein und ein Loch entsteht. Als Standardbehandlung dafür wird seit über 100 Jahren dieses Loch mechanisch geöffnet und mit einem biokompatiblen Material gefüllt.

Die Firma credentis ag hat nun eine innovative Behandlungsmethode auf den Markt gebracht, mit Hilfe derer sich der angegriffene Zahnschmelz regenerieren kann. Wissenschaftler der University of Leeds haben dazu ein Peptid entwickelt, das an der geschädigten Stelle aufgetragen, in die initiale Läsion diffundiert und sich dort an der geschwächten Stelle selbst zu einem supramolekularen Netzwerk anordnet. Sobald dieses 3D Netzwerk vorhanden ist, wird die Kristallisation von Nanokristallen angeregt und leitet damit eine Regeneration der white spots ein. Intialläsionen lassen sich heute schon mit dieser Methode erfolgreich behandeln. Für die uns bekannten grossen „Löcher“ funktioniert dieses Produkt noch nicht.

Der gesamte Prozess, vor allem der Diffusionsprozess des Peptids in den Zahnschmelz, ist bisher wenig untersucht. Im Rahmen des NanoArgovia-Projekts NANOCURE entwickeln die Forschenden daher gemeinsam in vitro Modelle, um den gesamten Ablauf der Therapie besser verstehen zu lernen und geeignete Behandlungskonzepte abzuleiten. Dazu verwenden sie anfänglich natürliche Zähne mit künstlich initiierten Kariesläsionen. In einem weiteren Schritt entwickeln die Wissenschaftler ein massgeschneidertes, synthetisches Zahnmodell, das durch seinen besonderen Aufbau natürlichen Zähnen sehr nahe kommen soll. Anhand dieser Modelle werden sie anschliessend den künstlichen Heilungsprozess analysieren und optimieren. Ihre Ergebnisse sollen helfen, die Behandlung zu verbessern und die nächste Generation von Peptiden zu synthetisieren, die dann auch bei fortgeschrittener Karies eine Regeneration erlaubt.

A7.11 BioPrint

2012-2013

Im Projekt BioPrint arbeitet ein Wissenschaftler-Team um Dipl.-Ing. Ralf Schumacher von der Hochschule für Life Sciences der Fachhochschule Nordwestschweiz daran, massgeschneiderte Knochenimplantate herzustellen, die Eigenschaften natürlichen Knochengewebes nachahmen. Für ein ideales Implantat spielen neben der Bioverträglichkeit und den biomechanischen Eigenschaften auch die Chemie und Struktur der Oberfläche eine entscheidende Rolle. Die Oberflächenstruktur und die chemische Beschaffenheit sollen ermöglichen, dass menschliche Zellen optimal daran haften und so das Implantat schnell als Bestandteil des Skelettapparates integriert wird. Auf der anderen Seite soll durch chemische Funktionalisierung des Materials und der Implantatoberfläche garantiert werden, dass keine Infektionen am Implantat auftreten.

Die Forschenden, die im Argovia-Projekt BioPrint zusammenarbeiten, wollen die äussere dreidimensionale Form der Implantate anpassen, sowie die innere Nano- und Mikrostruktur des Ersatzknochens optimieren. Mit einer 3D Rapid Prototyping genannten Methode produzieren sie spezifische, individuelle Implantate aus synthetischen Analogen natürlich vorkommender Stoffe. Biofunktionalität erhalten die Implantate durch synthetische, nanoporöse keramische Puder; durch Nachbearbeitung des künstlich hergestellten Knochengerüstes oder durch das schichtweise Aufbringen von Zusätzen mit spezifischen Eigenschaften wie antimikrobielle Aktivität. Zudem werden die verschiedenen Implantate mit feinsten Kollagenfibrillen verstärkt, um so stabile Ersatzknochen mit Eigenschaften ähnlich des natürlichen Knochens zu erhalten. Mit Hilfe von mechanischen, analytischen und biologischen Testsystemen werden die Forschenden die Ergebnisse ihrer Untersuchungen testen, um so die besten Methodenkombinationen zu definieren.

Partner im Projekt BioPrint sind: Dipl.-Ing. Ralf Schumacher vom Institut für Medizinal- und Analysetechnologien (FHNW), Prof. Dr. Uwe Pieles vom Laboratorium für Nanotechnologie (FHNW), Dr. Olivier Braissant vom Laboratorium für Biomechanik und Biokalorimetrie (Universität Basel) und Dipl.- Ing. Philipp Gruner von der Medicoat AG in Mägenwil.