Nano-Tera.ch: für einen schrittweisen Industrietransfer nanotechnologischer Innovationen Nano-Tera.ch ist ein nationales Programm zur Finanzierung der Forschung für die Entwicklung komplexer mikro- und nanotechnologischer Systeme für Anwendungen in den Bereichen Gesundheit, Sicherheit, Umwelt und Energie. Das Programm Nano-Tera.ch wird vom Staatssekretariat für Bildung und Forschung in Zusammenarbeit mit dem ETH-Rat und der Schweizerischen Universitätskonferenz (SUK) finanziert. Der Schweizerische Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF) ist über ein internationales Expertengremium für die wissenschaftliche Beurteilung der finanzierten Forschungsprojekte zuständig. Seit 2009 finanziert das Programm Nano-Tera.ch über 60 Projekte mit einem Gesamtbudget von CHF 120 Millionen über vier Jahre. Die bedeutendsten Projekte werden von Konsortien mit drei bis neun Partnern aus verschiedenen Schweizer Forschungseinrichtungen (ETHs, Universitäten und andere Forschungszentren) und der Industrie durchgeführt. Diese Partner bilden ein Netzwerk von 31 Schweizer Institutionen mit insgesamt über 600 Forscherinnen und Forschern. Auf wissenschaftlicher Ebene entstanden aus der finanzierten Forschung rund 300 Veröffentlichungen und über 500 Vorträge an Konferenzen und in Workshops sowie mehrere Präsentationen in den Medien. Die vom SNFExpertengremium sowie dem wissenschaftlichen Ausschuss von Nano-Tera.ch durchgeführten Beurteilungen unterstrichen einhellig die herausragende wissenschaftliche Qualität der Forschungsarbeiten und der beteiligten Forscherinnen und Forscher sowie den bedeutenden Beitrag des Programms zur Entwicklung der Schweizer Ingenieurwissenschaften im Bereich der Nanotechnologien. Auf internationaler Ebene leistete Nano-Tera.ch Beiträge für die Durchführung von Konferenzen, Kursen und Seminaren und startete 2011 eine strategische Initiative zur Förderung der Zusammenarbeit mit China in den vom Programm abgedeckten Bereichen. Im Rahmen dieser Initiative wurde zur Einreichung von Vorschlägen für eine chinesisch-schweizerische Zusammenarbeit aufgerufen, und sechs gemeinsame Forschungsprojekte wurden ausgewählt. Aus Sicht der Industrie werden die meisten grossen Forschungsprojekte von Nano-Tera.ch auch durch die Privatwirtschaft unterstützt. Zurzeit steuern 27 Industriepartner insgesamt CHF 6,3 Millionen bei. Im Übrigen wurden bereits acht Patente für Ergebnisse aus Arbeiten im Rahmen von Nano-Tera.ch-Projekten angemeldet. Die erste Programmphase (2008-2012) geht nun langsam zu Ende, und die zweite (2013-2016) wird vorbereitet. Neben Gesundheit, Sicherheit und Umwelt wird sich Nano-Tera.ch auch auf das Energiemanagement konzentrieren – ein Thema, das eng mit der Umweltproblematik verbunden ist. Am 26. und 27. April 2012 findet die Jahresversammlung von Nano-Tera.ch statt, die allen finanzierten Projekten eine hervorragende Gelegenheit zur Präsentation ihrer Ergebnisse bietet. Die Leiter der 19 bedeutendsten Forschungsprojekte werden einen Überblick über die von ihrem Konsortium geleistete Arbeit geben, und diese Präsentationen werden durch rund 100 Poster mit detaillierten Angaben zu den verschiedenen Forschungsaspekten ergänzt. Die Versammlung findet im Hotel Marriott in Zürich statt und wird mit einer Eröffnungsansprache von Prof. Hugo de Man beginnen. Er ist Honorarprofessor an der Katholischen Universität Löwen (Belgien) und Senior Fellow am IMEC sowie Autor zahlreicher bedeutender Veröffentlichungen auf Gebieten wie Very Large Scale Integration (VLSI). Ein Panel mit Wirtschaftsvertretern zu möglichen Anwendungen der Nanotechnologien ist ebenfalls vorgesehen. Weitere Informationen zu Nano-Tera.ch und den entsprechenden Aktivitäten finden Sie auf der Website des Programms: www.nano-tera.ch. Kontakt:
Patrick Mayor, wissenschaftlicher Koordinator +41 21 693 55 39 info@nano-tera.ch
Pressedossier
Futuristische Hightech-Projekte 1. Nano-Tera-Projekte: Ergebnispräsentation Seit 2008 unterstützt das Schweizer Finanzierungsprogramm Nano-Tera 68 futuristische und komplexe Nanotechnologie-Projekte. Am 26. April 2012 präsentieren die Wissenschaftler im Rahmen der jährlichen Nano-Tera-Versammlung in Zürich die erzielten Ergebnisse. Auf dem Programm stehen folgende Themen: intelligente Gewebe und Prothesen, Kokainnachweis im Speichel, künstliches Verdauungssystem auf einem Chip und Schadstoffmessung mit lebenden Zellen. Mit all diesen Projekten können Überwachungssysteme in den Bereichen Umwelt, Medizin und Sicherheit perfektioniert werden. Nanotechnologien im Alltag Zu Beginn des 21. Jahrhunderts gelangen Nanotechnologien oder Technologien in der Grössenordnung eines Millionstelmillimeters tagtäglich zum Einsatz, zum Beispiel bei der Entwicklung elektronischer Geräte (Mobiltelefone), administrativer Hilfsmittel (biometrische Reisepässe) oder neuer medizinischer Behandlungen. Nano-Tera setzt auf Nanotechnologien und unterstützt Forschungsarbeiten, die sich mit Anwendungen für den Menschen tatsächlich auf den Alltag der Bürgerinnen und Bürger auswirken. Die Initiative verfolgt einen fächerübergreifenden Forschungsansatz, um bestmögliche Leistungen zu erzielen. Auf diese Weise können die kompetentesten Fachleute aus verschiedenen Gebieten und mit unterschiedlichem Hintergrund vereint und maximale Ergebnisse erzielt werden. Nano-Tera umfasst nicht weniger als 30 Einrichtungen wie EPFL, ETH Zürich, CSEM, Waadtländer Universitätsspital und IBM Zürich. Dank ihres kombinierten Wissens können die Forscherinnen und Forscher miniaturisierte Geräte entwickeln, die effizient auf die Bedürfnisse der Menschen eingehen. Durch die Berücksichtigung der Anwendungsmöglichkeiten sowie der fächerübergreifenden und auf Zusammenarbeit ausgerichteten Dimension der Forschung erhält das Programm ausserdem eine besondere Stellung unter den verschiedenen Instrumenten zur Förderung der Schweizer Forschung auf dem Gebiet der Nanotechnologien.
www.nano-tera.ch
2. Beispiele von Projekten und Anwendungen
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Mithilfe der NutriChip-Plattform, eines miniaturisierten künstlichen Verdauungssystems auf einem Chip, kann die Wirkung von Nahrungsmitteln auf den menschlichen Körper nach der Verdauung in vitro beobachtet werden. Unterstützt wird diese Technologie vom Nahrungsmittelgiganten Nestlé, der die Wirkung seiner Milchprodukte auf die Gesundheit objektiv testen möchte.
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TecIntex ist ein Forschungsprojekt für die Entwicklung intelligenter Gewebe. Weiche und waschbare Kleider mit Miniatursensoren überwachen die Sauerstoffversorgung des Muskelgewebes. Es geht insbesondere darum, Unterwäsche zur Dekubitus-Prävention für Paraplegiker oder bettlägerige Personen zu entwickeln.
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Die Plattform IrSens ermöglicht mit ihren spitzentechnologischen Optikgeräten den Nachweis von Kokain in Speichelproben sowie von Magengeschwüren in der Atemluft. Sie besitzt somit ein grosses Potenzial für die Dopingbekämpfung und die Luftschadstoffanalyse.
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LiveSense ist ein kleines autonomes System aus lebenden Zellen, die als Biosensoren fungieren. Es genügt, mit einem Mobiltelefon die Anlage am Ufer eines Flusses anzurufen, um per SMS über Schadstoffe an einer bestimmten Wasserstelle informiert zu werden.
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Nexray verfolgt das Ziel, Röntgenstrahlenquellen zu miniaturisieren. Das Ergebnis ist eine drastische Verbesserung der Auflösung von Röntgenaufnahmen, eine geringere Strahlenbelastung und die Möglichkeit, kleinere medizinische Anlagen zu bauen. So könnten Ärzte dann in strukturschwachen und weit von Behandlungseinrichtungen entfernten Regionen Mammografien im Rahmen von Hausbesuchen durchführen.
3. Weitere Einzelheiten zu einigen Projekten
IrSens Kokainnachweis in einfacher Speichelprobe «Blasen» wird bei einer Polizeikontrolle bald nicht mehr genügen, um aus dem Schneider zu sein. Die Forscherinnen und Forscher des Nano-Tera-Projekts IrSens entwickeln ein tragbares System zur Analyse von Molekülen in Flüssigkeiten und Gasen, mit dem auch Kokain im Speichel nachgewiesen werden kann. In der Praxis muss der Polizist dann nur noch eine Probe in ein koffergrosses Gerät hineingeben und das Ergebnis abwarten. Mit dieser Technologie könnten auch Magengeschwüre in der Atemluft entdeckt werden. Die Wissenschaftler nutzen dafür Techniken der «optischen Absorption» im mittleren Infrarot- und Nahinfrarotspektrum und wenden diese auf die Analyse von Flüssigkeiten und Gasen an. Beim Kokain wird eine Flüssigkeit (Speichel) mit einem Laser analysiert und dann das gesuchte Molekül präzise ermittelt. Moleküle reagieren nämlich unterschiedlich auf Licht. Je nach Laserfrequenz senden bestimmte Moleküle Schwingungen aus und liefern somit Hinweise auf ihre Art und Masse. «Speichel ist eine schwer zu analysierende Flüssigkeit. Er enthält viele unterschiedliche Moleküle, und pH-Wert, Viskosität und Zusammensetzung ändern sich ständig je nach Ernährung oder sogar Laune», erklärt Wissenschaftler Yargo Bonetti. Bei der Analyse gasförmiger Stoffe wurde die Technik erfolgreich für den Nachweis des für Magengeschwüre verantwortlichen Bakteriums Helicobacter pylori getestet. Mit dem System der Forscher könnte auch eine bessere Behandlung für diese Erkrankung gefunden werden. Die Wissenschaftler möchten es später noch für andere Anwendungen nutzen, insbesondere Umweltmessungen.
Projektleiter: Jérôme Faist, ETH Zürich Weitere Partner: EPFL UniNE EMPA FHNW Weitere Informationen: Martin Rajman, Direktor von Nano-Tera. 021 693 52 77, martin.rajman@epfl.ch
LiveSense SMS-Informationen über die Toxizität von Seen Paracetamol, Phosphor, Stickstoff, Insektizide und industrielle Lösungsmittel: Alle diese für den Menschen schädlichen Stoffe finden sich manchmal in grossen Mengen in Wasserläufen und Seen. Wie kann man sich über den Zustand eines Flusses informieren, bevor man darin baden geht? Diese Frage beantwortet das Nano-Tera-Projekt LiveSense, ein mobiles System mit lebenden Zellen, die Giftstoffe im Wasser blitzschnell anzeigen. Die Diagnose kann dann per SMS an alle verschickt werden, die die Nummer des Geräts wählen. «Früher nahmen die Bergarbeiter einen Kanarienvogel in einem Käfig mit unter Tage, um die Luftqualität im Stollen zu messen», erklärt EPFL-Professor und Projektkoordinator Philippe Renaud. Wenn der Vogel zu singen aufhörte oder nach Luft schnappte, war es Zeit, den Schacht zu verlassen. «Unser System ist auch eine Art Kanarienvogel, konzentriert sich aber auf das Wasser.» Im Gegensatz zu den traditionellen Überwachungszentren, die eine umfangreiche Infrastruktur benötigen, können mit dem Miniatursystem laufend Messungen an verschiedenen Orten durchgeführt werden. «Heute stellen wir eine Flussverschmutzung erst mehrere Tage später fest, wenn das Fischsterben einsetzt oder sich das Wasser verfärbt.» Dank LiveSense wird man lange vor dem Auftreten dieser externen Symptome eingreifen können. Es handelt sich um ein Frühwarnsystem. Der Einsatz von Zellen als Biosensoren erlaubt zudem eine Miniaturisierung, doch lebende Organismen verursachen Probleme bei der Wartung. Da die Zellen sehr strenge Inkubationsbedingungen aufweisen, haben die Forscherinnen und Forscher ihre autonome Plattform mit einem Bioreaktor ausgestattet, in dem die lebenden Zellen ständig mit Nährstoffen versorgt und bei konstanter Temperatur gehalten werden. Wenn sie einmal stabilisiert sind, werden sie in ständigen Kontakt mit Wasser gebracht, das aus einer bestimmten Wasserstelle gepumpt wird. Verändert ein Giftstoff im Wasser die Stabilität der Zellen und «stresst» diese, gibt das Gerät sofort eine Warnung aus und weist per SMS auf die Gefahr hin. «Wir messen das Glück und Unglück dieser winzigen Organismen», erklärt der Professor. Projektleiter: Philippe Renaud, EPFL Weitere Partner: HES-SO CSEM IST
UNIL ETH Zürich
NutriChip Künstlicher Darm zur Analyse der Nahrungsmittelqualität Was geschieht in unserem Körper nach der Aufnahme von Nahrungsmitteln? Um diese Frage zu beantworten, haben die Forscherinnen und Forscher den NutriChip entwickelt: Dabei handelt es sich um einen Miniaturdarm auf einem Chip, mit dem die Wirkung von Nahrungsmitteln auf die Gesundheit in vitro beobachtet werden kann. Die ersten Versuche wurden mit Milchprodukten durchgeführt. «Wenn ein Nahrungsmittel in den Darm gelangt, bringt es entzündungsfördernde Moleküle in unseren Organismus», erklärt der Wissenschaftler Guy Vergères von ALP. Diese Moleküle lösen eine Immunreaktion aus: eine leichte vorübergehende Entzündung sowie die Bildung von Biomarkern – insbesondere Zytokinen – im Blut. Dieser Vorgang ist ganz normal, muss jedoch überwacht werden. «Wenn dies über längere Zeit gehäuft auftritt, könnte es zur Entstehung chronischer Entzündungserkrankungen beitragen.» Dank des NutriChip kann gemessen werden, wie sehr die verschiedenen Nahrungsmittel die Konzentration dieser Biomarker verringern und folglich eventuell die Entzündungen hemmen können. Als Erstes konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Milch. «Gewisse Studien haben gezeigt, dass der Verzehr von Milchprodukten die Konzentration der Entzündungsmarker im Blut herabsetzen kann. Bei anderen Untersuchungen konnte keine signifikante Reduktion gemessen werden. Mit dem NutriChip können wir die Diskussion mit neuen wissenschaftlichen Daten bereichern», sagt Martin Gijs von der EPFL. Der NutriChip ist ein Chip mit zwei Ebenen, die über eine poröse Membran miteinander kommunizieren. Die obere Ebene, die die Darmwand darstellt, besteht aus einer Epithelialzellkultur, die eine homogene Zellschicht bildet. Die untere Ebene entspricht dem Blutkreislauf und enthält Immunzellen, insbesondere Makrophagen. Wenn diese mit potenziell schädlichen Wirkstoffen konfrontiert sind, produzieren sie Moleküle wie Zytokine, um weitere Zellen des Immunsystems zu aktivieren. Der NutriChip verfügt über hochauflösende optische Sensoren (CMOS-Technologie). Wenn man ihm ein Nahrungsmittel vorsetzt, ermittelt er sehr genau die Produktion von Zytokinen durch die Immunzellen auf der anderen Seite der Darmzellschicht. So erhält man exakte Angaben über die dadurch verursachte Entzündung. Zurzeit laufen am Berner Inselspital Tests beim Menschen, um zu überprüfen, ob die NutriChip-Ergebnisse dem entsprechen, was auch in der Realität abläuft. Projektleiter: Martin Gijs, EPFL Weitere Partner: ETH Zürich UniBas
ALP
X-Sense Erdrutschwarnung für die Alpen Mit dem Projekt X-Sense soll verhindert werden, dass in Berggebieten Häuser gebaut werden, die nach zehn Jahren von einem Erdrutsch zerstört werden. Die Wissenschaftler haben ein System zur laufenden Erhebung von Daten in Berggebieten sowie eine Analysemethode zur Voraussage solcher Ereignisse entwickelt. Zurzeit werden zahlreiche Messungen mit einem Prototyp im Mattertal (VS) durchgeführt. Aufgrund der Klimaerwärmung und der fortschreitenden Gletscherschmelze werden die Felshänge der Berge sehr instabil und gefährden Spaziergänger und Bewohner. Erdrutsche und Steinschläge geben den Wissenschaftlern jedoch immer noch viele Rätsel auf und sind folglich sehr schwer vorherzusagen. XSense möchte diese Lücken schliessen. Das mit GPS und zahlreichen hochpräzisen Hightech-Sensoren ausgerüstete System kann Erdbewegungen unter Extrembedingungen sehr genau und laufend messen. Die so erhobenen Daten werden dank Funktechnologie an eine Basisstation und dann an eine HostStation übermittelt. Das Ziel ist, sie in Kombination zu interpretieren und mit Satelliten- sowie HRImaging-Bildern zu verbinden. «Dank der laufenden Erhebung von Daten durch X-Sense werden wir viele Parameter verstehen können, zum Beispiel den Einfluss der Schneeschmelze auf Erdbewegungen», sagt Wissenschaftler Jan Beutel. «Dieses Projekt ist hochaktuell. In einigen Alpentälern bewegt sich die Erde mehrere Meter pro Jahr», erklärt er abschliessend. Projektleiter: Lothar Thiele, ETH Zürich Weitere Partner: UZH FOEN GAMMA