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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 70 / 31. 03. 2009 Wissenschaft & Technik Der Knick in der Wärme Physiker an der Technischen Univerisität Wien haben einen völlig neuen Effekt beim Verlauf der spezifischen Wärme von Materie entdeckt. Lehrbücher der Festkörperphysik müssen ergänzt werden. 46 Das Abkühlen bestimmter Arten von Materie könnte viel teurer kommen als bisher angenommen. Das fanden Karsten Held, Professor für Festkörperphysik an der Technischen Universität Wien, und sein junger Kollege Alessandro Toschi heraus. Die beiden TU-Forscher hatten in Berechnungen einen Effekt vorhergesagt, der in Experimenten von KollegInnen in Japan vor kurzem eindrucksvoll bestätigt wurde. Die Ergebnisse des internationalen Teams wurden Ende Februar 2009 in der wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. „Wir haben entdeckt, daß beim stetigen Absenken der Temperatur von Materie in der dafür benötigten Energie ein deutlicher Knick auftritt“, erklärt Held die neuen Forschungsergebnisse. „Wenn man ein Stück Materie stark abkühlt, so muß man ihm ab der Temperatur, bei der dieser Knick auftritt, deutlich mehr Energie entziehen, als die Fermi-Flüssigkeits-Theorie von Landau vorhersagt“, so Held. Der russische Physiker Lev Landau hatte für seine Theorie im Jahr 1962 den Physik-Nobelpreis bekommen. Die spezifische Wärme ist ein Ausdruck für die Energie, die Materie einer bestimmten Zusammensetzung zugeführt oder entzogen werden muß, um die Temperatur eines Gramms davon um ein Grad Kelvin zu erhöhen oder abzusenken. Abhängig von der Art, wie nun Elektronen in einem Stück Materie einer bestimmten Zusammensetzung miteinander wechselwirken, sieht der Kurvenverlauf der spezifischen Wärme aus. „Bei bestimmten Stoffzusammensetzungen entstehen Gemische, in denen sich die Elektronen besonders stark beeinflussen“, erklärt Alessandro Toschi. Für die Bestätigung ihrer mathematischen Vorhersagen wählten die Forschenden daher eine Verbindung aus Lithium, Vanadium und Sauerstoff, die sich für die Experimente besonders gut eignete. „Der Vorteil dieses Materials war, dass wir den Knick bei einer extrem niedrigen Temperatur von fünf bis sechs Kelvin bekamen, in diesem Bereich sind die Störsignale durch Gitterschwingungen sehr klein und stören die Messungen Der Knick in der spezifischen Wärme ergänzt Landaus lineare Fermi-Flüssigkeits-Theorie Univ.Prof. Dipl.-Phys. Karsten Held Univ.Ass. Alessandro Toschi des Elektronensystems kaum“, sagt Toschi. Laut Karsten Held tritt der entdeckte Knick in der spezifischen Wärme grundsätzlich immer auf, wenn die Bewegung der Elektronen stark korreliert ist. „Allerdings wird er bei höheren Temperaturen von anderen Effekten wie Gitterschwingungen überlagert“, so Held. Die Ursache für dieses bisher unentdeckte Verhalten der Materie sehen Held und Toschi in sogenannten selbstkonsistenten Quanteneffekten, die auftreten, wenn sich Elektronen gegenseitig stark beeinflussen. Das ist zum Beispiel in modernen Supraleitern, Thermoelektrika oder sogenannten Schwere-Fermionen-Systemen der Fall. Das Zusammenwirken solider Grundlagenforschung mit ingenieurswissenschaftlicher Arbeit in unterschiedlichen Disziplinen an der TU Wien selbst sowie in Gemeinschaftsprojekten mit anderen Universitäten und Forschungsstätten erlaubt hochwertige Entwicklungsarbeiten auf fast allen Gebieten der Technik. Die Offenheit der TU Wien für Anliegen der Wirtschaft und die hohe Qualität der Forschungsergebnisse machen sie zum begehrten Partner für innovationsorientierte Wirtschaftsunternehmen. Daß Österreich sowohl als Wirtschafts- als auch als Forschungsstandort attraktiv ist, dazu trägt die TU Wien durch ihre internationale Ausrichtung, insbesondere durch die intensive Beteiligung an EU-Programmen, bei. • http://www.ifp.tuwien.ac.at/ »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 70 / 31. 03. 2009 Wissenschaft & Technik Detektivarbeit in der Lunge Versteckten Teilen der Atmung auf der Spur – Hochkarätige Tagung in Innsbruck Eine gesunde Lunge hat 500 Millionen Lungenbläschen. Bis zu 20.000 Liter Luft tauscht unser Körper täglich durch sie aus. Was in einzelnen Zellen und Molekülen dieser „Mini-Luftballons“ genau passiert, ist besonders in Europa ein junges Forschungsthema. Erstmals standen die als „versteckte“ Teile unserer Atmung geltenden Lungenbläschen im Zentrum einer hochkarätigen Tagung in Innsbruck (Tirol). „Was wir tun, ist sehr vereinfachend erklärt Detektivarbeit. Mit einer Oberfläche von insgesamt rund 100 Quadratmetern ist das Epithel der Lungenbläschen ein großer Schauplatz. Weitere Herausforderung ist, daß dieses Epithel – also jene Zellschicht, die eine Barriere zwischen Luft und Gewebe bildet – von außen nicht eingesehen werden kann. Wir wissen allerdings, daß eine ganze Reihe akuter und chronischer Lungenerkrankungen genau dort auf zellulärer und molekularer Ebene beginnen, vor allem wenn schädigende Einflüsse aus der Luft, wie Zigarettenrauch oder Feinstaub Entzündungsreaktionen in den Lungenbläschen auslösen“, sagt Prof. Paul Dietl, Leiter des EU-Projektes Pulmo-Net und einer der Organisatoren der internationalen Tagung. 47 Die Lungenbläschen haben einen Durchmesser von ein bis zwei Zehntel Millimetern. Das entspricht der »Dicke« eines Blattes Papier. Grafik: Paul Dietl Blinde Passagiere Ein Lungenbläschen allein hat gerade einmal einen Durchmesser von der „Dicke“ eines Blattes Papier. Traubenförmig dicht gepackt, geben Millionen dieser Mini-Luftballons unserer Lunge ihr schwammähnliches Aussehen und sorgen für den Austausch der lebenswichtigen Atemgase. Ein Lungenröntgen kann zwar indirekt Auskunft geben über eine Fehlfunktion der Alveolen, z. B. bei einem Lungenödem. Direkt aber sind die Lungenbläschen nicht einsehbar und in bildgebenden Verfahren daher wie ein „blinder Passagier“. Um die winzig kleinen Gebilde untersuchen und damit grundlegende Erkenntnisse über die Entstehung von Krankheiten gewinnen zu können, müssen Zellen und deren Produkte aus Lungenspülungen oder Gewebeproben gewonnen werden. „Die Ergebnisse von Pulmo-Net sowie neue Kooperationen im Zuge der Tagung könnten nun optimierte Untersuchungsmöglichkeiten durch neueste mikroskopische Verfahren bringen. Insbesondere erwarten wir, daß verbesserte Zellkulturmodelle bisher übliche Methoden an der ganzen Lunge ersetzen könnten“, sagt Dietl. An schleichenden Lungenerkrankungen, wie der als klassischer Rauchererkrankung geltenden „Chronic Obstructive Pulmonary Disease“ (COPD), und am Emphysem leiden zwischen vier und zehn Prozent der Erwachsenen in Europa. Die Tendenz dieser Erkrankungen ist steigend. Diese Lungenerkrankungen gehen mit einem Umbau des Lungengewebes einher. Was bei diesem Umbau im Rahmen zellulärer und molekularer Mechanismen im Epithel der Lungenbläschen genau passiert, stand im Zentrum des „International Congress on Cellular and molecular biology of the pulmonary alveolar epithelium in health and disease“ in Innsbruck. An diesem Kongreß nahmen rund 100 weltweit führende Experten der Lungenforschung aus Europa und den USA teil. Veranstaltet wurde die Tagung vom seit 2005 laufenden EU-Projekt Pulmo-Net und dessen Initiatoren, den Physiologen Prof. Paul Dietl (Institut für Allgemeine Physiologie, Universitätsklinikum Ulm) und Univ.-Prof. Walter Pfaller (Abteilung für Physiologie und Medizinische Physik, Medizinische Universität Innsbruck). Ziel des Kongresses war es, die Forschungsachse Europa-USA weiter zu intensivieren. Gemeinsame Inhalte waren »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
Seite 1 und 2: Ausg. Nr. 70 • 31. März 2009 Unp
Seite 3 und 4: ÖSTERREICH JOURNAL NR. 70 / 31. 03
Seite 13 und 14: Foto: ÖVP / Jakob Glaser ÖSTERREI
Seite 45: ÖSTERREICH JOURNAL NR. 70 / 31. 03
Seite 85: ÖSTERREICH JOURNAL NR. 70 / 31. 03

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