Mit Nanoskopie Moleküle sichtbar machen

Pixabay; DasWortgewand

Nanoskopie? Nie gehört. Liegt sicherlich darin, dass diese hochauflösenden Mikroskope eine noch relativ junge Entwicklung sind.

Mikroskope gehören zu den bahnbrechendsten Erfindungen der Neuzeit. Ohne diese Geräte wären zahlreiche Entdeckungen innerhalb der Biologie nicht möglich gewesen. Mit Hilfe der u.a. durch niederländische Linsenmacher Ende des 16. Jahrhunderts entwickelten ersten Lichtmikroskope, deren Linsen durch den ebenfalls niederländischen Naturforscher Antoni Van Leeuwenhoek stark verbessert wurden, konnten zum ersten Mal Einzeller (sogenannte Protozoen), aber auch Bakterien sichtbar gemacht und somit in die geheimnisvolle Welt des Mikrokosmos eingetaucht werden. Technisch gesehen machen Mikroskope nichts anderes als das Licht, welches sich seinen Weg durch ein Objekt bahnt, durch die spezielle Anordnung von diversen Linsen zu brechen und dadurch zu vergrößern. Wer mehr zu den physikalischen Prinzipien der Lichtmikroskope erfahren möchte, der kann dies sehr verständlich beschrieben hier nachlesen.

Allerdings sind klassische Lichtmikroskope physikalischen Grenzen bezüglich der optischen Auflösung unterworfen, dem sogenannten Abbe-Limit. Dieses begrenzt die mögliche optische Auflösung eines klassischen Lichtmikroskops. Will man also zwei nebeneinander liegende Punkte als einzelne Punkte wahrnehmen, so dürfen diese nicht näher als die halbe Wellenlänge des genutzten Lichts zusammenliegen. Da blaues Licht mit einer Wellenlänge von 400 Nanometern (nm) die unterste Grenze des Lichtspektrums darstellt, welches wir wahrnehmen können, liegt das Abbe-Limit somit bei 200 nm.

Das Überwinden dieser Grenze aber würde ungeahnte neue Erkenntnisse aus Gebieten wie der Zellbiologie oder Chemie liefern, wäre es doch dann möglich Moleküle in Echtzeit beobachten zu können. Genau dies hatten Forscher um Prof. Dr. Stefan Hell vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und seine US-Kollegen Eric Betzig und William Moerner durch die Entwicklung des STED-Mikroskops möglich gemacht, wofür sie dann auch den Nobelpreis für Chemie im Jahre 2014 bekamen. Auflösungen bis zu 20 nm und live Bilder aus dem Inneren einer Zelle wurden nun möglich. Wie genau die fluoreszenz-basierte STED-Mikroskopie funktioniert veranschaulicht dieses sehr informative Video der Max-Planck-Gesellschaft.

Im Prinzip sehr simpel: möchte man bestimmte Moleküle hochaufgelöst beobachten, so markiert man diese zuerst mit einem Fluoreszenz-Farbstoff, welcher an dieses Molekül bindet und bei Bestrahlung mit einem Laser in einer bestimmten Farbe aufleuchtet. Liegen die Moleküle nun jedoch sehr nah beieinander, so leuchten sie nun natürlich alle auf, was aber zu einem einzigen Lichtfleck führt und man nichts erkennt. Der Trick ist nun einige der Moleküle wieder auszuknipsen und somit die Intensität der noch übrig gebliebenen Moleküle zu senken und somit die Auflösung zu erhöhen. Erreicht wird dies durch einen zweiten, doghnut-förmigen Laser, sprich einem Laser, der ringförmig strahlt und die in der Mitte des Lasers befindlichen Moleküle unberührt, sprich angeknipst lässt. Ein geniales Prinzip.

Dank Wissenschaftlern wie den zuvor genannten und vielen anderen, die Ihre Zeit in die Verbesserung der sogenannten Nanoskopie steckten, erlebte die Grundlagenforschung einen enormen Aufwind. Da Stillstand Wissenschaftlern fremd ist, ging auch die Entwicklung der Nanoskopie weiter. Mit dem MINFLUX getauften System, an dem ebenfalls Prof. Hell beteiligt ist, geht die Reise weiter in die Tiefen des Mikrokosmos, nun auf unfassbare 2.1 nm bzw. 1.2 nm Auflösung.

Moral or not Moral? Von der Moral des autonomen Fahrens.

Das autonome Fahren wird immer mehr zur Realität. In schätzungsweise 5-10 Jahren werden immer mehr Fahrfunktionen von einer KI gesteuert werden und wir werden uns zurücklehnen und eine Zeitung lesen. Wenn wir der Technik denn vertrauen wollen. Noch gibt es einige Probleme und Fragen zu klären. U.a. die Frage, wie denn die KI bei einer bevorstehenden und unvermeidbaren Kollision entscheiden soll, um möglichst viele Leben zu retten.moral Nur welches Leben ist lebenswert?

Der KI muss daher also eine Art Moral einprogrammiert werden. Dazu hat das MIT eine Moral Machine ins Netz gestellt, um zu verstehen, wie wir Menschen entscheiden würden.

Soll lieber eine Frau sterben oder ein Mann? Alt oder jung? Und was ist mit dem sozialen Status: gesetzestreuer Bürger oder doch lieber der Verbrecher?

Testet Sie es selbst:

http://moralmachine.mit.edu/

Bildquelle: http://caramelosblog.es/2011/10/moral-genetica/

Maschinelles Lernen wird zum Teil unseres Alltags

Google – Unfassbar innovative Datenkrake. Gegründet 1998 und aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken.

Im Jahre 2016 als Tochtergesellschaft der Konzernmutter Alphabet firmierend, forschen die relativ geheimen Labore Google’s, besser bekannt als Google X, an faszinierenden Produkten, die viele Menschen sicherlich für Science-Fiction halten werden.why-need-img-2

Beginnend bei autonomen Autos, Robotern, Quantencomputern, Smartphones, Betriebssystemen, Blutzuckermessenden Kontaktlinsen, bis hin zu einer Technologie, die die Welt noch viel weitgehender verändern wird: der künstlichen Intelligenz.

Basierend auf neuronalen Netzwerken, also Computern, die wie ein Gehirn aufgebaut sind, nutzt Google das sogenannte maschinelle Lernen, oder auch „Deep learning“ genannt, und kombiniert diese mit Big Data-Ansätzen, um so Computern z.B. das menschliche Denken bzw. menschliche Intelligenz anzutrainieren. Vor einiger Zeit konnte dem sogenannten Google Brain (einem Verbund aus 1000 Computern, zusammengeschlossen zu einem neuronalen Netzwerk, für mehr Infos: https://research.google.com/teams/brain/) das Unterscheiden von menschlichen Gesichtern und dem von Katzen beigebracht werden (http://arxiv.org/abs/1112.6209).

Nun münden diese Anstrengungen auch erstmals in einem Produkt des Alltags: dem Google Translator. Jeder kennt diese App oder Web-App und ist nicht gerade zufrieden mit seiner Genauigkeit bei Übersetzungen, vor allem von weniger bekannten Sprachen ins Deutsche. Dies wird sich nun grundlegend ändern, da durch dieses Update ein auf „Deep learning“ basierender Algorithmus implementiert wird, der die Genauigkeit der Übersetzungen um bis zu 60% steigern soll. Faszinierend, unser Leben enorm erleichternd, aber auch durchaus beängstigend, wenn man die kombinierte Anwendung aller Google-Technologien bedenkt. Dazu aber in einem weiteren Beitrag mehr.

http://www.nature.com/news/deep-learning-boosts-google-translate-tool-1.20696?WT.mc_id=FBK_NatureNews

Bildquelle: www.google.com

Faszinierender Miniatur-Origami-Roboter

Origami robot

(Bild: aus Miyashita et al., verlinkte Veröffentlichung)

Wer dachte, dass Origami nur eine japanische Papierfaltkunst bezeichnet, der irrt gewaltig. Wissenschaftler des MIT und der TU München “bastelten” nun einen auflösbaren Miniatur-Roboter aus Polystyrol (dem allseits bekannten Schaumstoff), gerade einmal 1,7 cm lang und 0,31 g leicht und mit einem zentralen Magneten aus Neodym versehen. Aktiviert durch eine Wärmequelle fängt dieser an sich selbst zusammenzufalten und und kann dann eine Geschwindigkeit von 3,8 Körperlängen pro Sekunde, was umgerechnet 0,23 km/h entspricht, erreichen. Klingt nach wenig, ist aber für diesen Winzling doch enorm.  Gesteuert wird durch mit Hilfe eines externen Magnetfeldes.

Noch viel faszinierender ist, dass dieser simple Roboter (bestehend aus nur einer Lage Schaumstoff) in der Lage ist zu schwimmen, Steigungen hochzuklettern, Gegenstände zu transportieren und sogar zu graben, wie im folgenden Video eindrucksvoll betrachtet werden kann.

Nun, wozu  können solche dreidimensionalen, sich selbst zusammenfaltenden und nützlichen Roboter zukünftig eingesetzt werden? Die Antwort darauf ist simpel: sofern diese Roboter weiter miniaturisiert werden und auch aus biologisch abbaubaren Werkstoffen, wie z.B. Polytrimethylenterephthalat, hergestellt werden könnten, wäre z.B. folgendes Szenario denkbar: der Roboter wird in seiner flachen Form in den Patienten gebracht, faltet sich dort durch die vorherrschende Körperwärme und wird dann durch einen von außen angelegten Magneten zu einer Thrombose geführt, um diese gezielt aufzulösen. Nach getaner Arbeit würde sich dann auch der Roboter auflösen.

Dass solche Technologien keine Hirngespinste einiger weniger Scince-Fiction-Fans sind, beweist Google mit seiner Forschung an Nanobots. Also, ich freue mich auf eine spannende Zukunft.

 

The future is bright, the future is … quantum dot televisions

Pure, bright, quantum colours. Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA

Pure, bright, quantum colours. Argonne National Laboratory, CC BY-NC-SA

By Laurence Murphy, University of Salford

The Consumer Electronics Show (CES) has arrived again, the world’s largest consumer electronics and technology exhibition in Las Vegas, where manufacturers will show off the new technologies available in 2015.

Wearables, 3D printers, curved displays and other technology that has graduated from the cutting edge into products available to the consumer – all of them have had their moment in the spotlight at CES.

Korean electronics and display manufacturer LG has set the ball rolling by announcing its 4K ultra high-definition television displays (UHDTVs) that use quantum dot technology, an improved method for producing colour displays.

What exactly is a quantum dot?

A significant improvement on existing LCD or LED methods, the technology works by shining blue light through nanocrystals of varying size from two to ten nanometres, which absorb light of one wavelength and emit light of another, very specific wavelength. Each dot emits a different colour depending on its size. A film of quantum dots of a size suitable to produce red and green light is added in front of the screen’s backlight. Generating light via the quantum dots narrows the wavelength of the red and green light produced, meaning less light is caught by the LCD filter. This means better colour rendition and brighter colours.

Cadmium-based quantum dot showing pure, highly specific green colour response. NASA

LG got its announcement in ahead of other manufacturers to try and gain a lead by associating its products with the higher contrast, improved saturation, and impressively wide colour gamut (the range of colours a display can reproduce) that quantum dots provide. This makes such displays ideal for viewing high-definition and ultra high-definition content, and for those working in graphic design, photo or film production.

Upgrading ‘broadcast quality’

The move towards UHDTV is not just about more pixels and higher-resolution screens. Manufacturers and broadcasters want to create an environment where video and images can be delivered to the public with as high a dynamic range as possible, while remaining economical to manufacture.

And this isn’t in the far future; in fact, the new standards – required for all technologies to become established – have already been sanctioned. The ITU-rec 2020 standard for ultra high-definition television allows for higher frame rates of up to 120 fps, higher bit rates and larger contrast and colour gamuts.

At the moment, content termed “high-definition” is broadcast at 1920 x 1080 pixels with a specific frame rate, range of colour and contrast, allowing consistent reproduction across all compatible displays. But both the broadcast and cinema industries can already produce material that exceeds these standards, there are just no devices yet that can take advantage of the best-quality images possible – there isn’t much point delivering more information than the current displays can handle.

So the use of quantum dots extends the capability of ultra high-definition displays, allowing the delivery of higher dynamic range media to the public in the future. As a bonus, quantum dots are significantly cheaper than other competing high-quality display technologies, such as OLED, organic light-emitting diodes, which were heralded as the next big thing at previous CES shows, but whose star is already waning.

At the moment quantum dots are being used only combined with other types of backlights, but it’s possible to engineer a method of using them without. In any case, for 2015 and the foreseeable future, the world’s best video and image reproduction for high-definition content will be delivered with quantum dots.

The Conversation

This article was originally published on The Conversation.
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