ERC Grants

„Bislang legen wir in den Organismus lahm, um gute Bilder zu bekommen“, sagt Jana Hutter. „Mein Ziel ist es, die Bildgebungsverfahren an die Bewegung des Körpers anzupassen.“ Die Professorin für Smart Imaging and Data Profiling an der FAU forscht zu pathologieorientierter Modellierung und den physikalischen Grundlagen der Magnetresonanztomografie (MRT). Im Rahmen ihres ERC-geförderten Projekts EARTHWORM konzentriert sie sich auf Krankheiten des Darms und der Gebärmutter, beispielsweise Morbus Crohn und Ademomyose.

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In seinem vom ERC geförderten Projekt HyperScaleEM entwickelt Philipp Pelz Methoden für die atomare 3D-Bildgebung großer Volumen mithilfe von Elektronenmikroskopen. Dabei geht es ihm einerseits um sehr leichte Elemente, etwa Wasserstoff und Sauerstoff, die mit bisherigen Methoden kaum detektierbar sind. Schwer zu charakterisieren sind zweitens Legierungen, in denen die enthaltenen Elemente einen ähnlichen Kontrast zeigen und daher nur schwer voneinander zu unterscheiden sind. „Ein dritter Bereich ist die Nano- und Quantenelektronik“, erklärt Pelz. „Hier werden die Strukturen so klein, dass die dreidimensionalen Positionen und Bindungen einzelner Atome eine große Rolle spielen. Diese will ich sichtbar machen.“

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„Ich brenne für die Katalyse. In der Technologie werden immer mehr nachhaltige Prozesse gefordert, die es noch nicht gibt oder die noch nicht gut genug funktionieren, um sie technisch anzuwenden. Und die Katalyse ist ein Werkzeug, um solche Prozesse möglich zu machen“, sagt Tanja Franken. Mit nachhaltigen Prozessen meint die Professorin vor allem solche Prozesse, die zum Ziel haben, CO2 einzusparen. Doch dafür braucht sie Katalysatoren, die auf die Abläufe maßgeschneidert sind – und genau diese möchte die Forscherin in ihrem Projekt entwickeln.

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Viele Menschen leiden unter teilweisen oder vollständigen Muskellähmungen, für die es keine Heilung gibt. Neuronale Schnittstellen haben zwar das Potenzial, die motorische Funktion mit Hilfe von Assistenzsystemen wiederherzustellen. Aber selbst bei den modernsten invasiven neuronalen Implantaten, können Patient/-innen die Bewegungen der gelähmten Gliedmaßen nur sehr eingeschränkt kontrollieren – dafür ist die Übersetzung vom Gehirnbefehl an die Assistenzsysteme zu ungenau. Mit dem ERC Starting Grant möchte Alessandro Del Vecchio, Professor für Neuromuscular Physiology and Neural Interfacing an der FAU, Schnittstellen entwickeln, die die gewünschte Bewegung besser an die Prothese übertragen.

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Prof. Dr. Silvia Budday erforscht das Verhalten extrem weicher Materialien unter mechanischen Einflüssen. Dazu gehöre Hydrogele, aber eben auch menschliches Gehirngewebe. Denn die Mechanik beeinflusst die Funktionsweise von Zellen und hat somit Auswirkungen auf unsere Gesundheit. Ziel des durch den ERC Starting Grant geförderten MAGERY-Projekts ist es, Schädigungen von Gehirnzellen durch mechanische Belastung, zum Beispiel bei einer Gehirn-OP, zu verhindern.

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Neurodegenerative Krankheiten und neurologische Dysfunktionen wie Depression, Parkinson oder Demenz betreffen immer größere Teile unserer Gesellschaft. Für ihre erfolgreiche Behandlung bedarf es innovativer Ansätze im Bereich der Neurowissenschaften. Bisher basiert Neuromodulation in der Regel auf chronisch implantierter makroskopischer Hardware, die zahlreiche Sicherheitsbedenken aufwirft, häufig unter mangelnder Präzision leidet und keinen Zugang zu tieferliegenden Hirnregionen ermöglicht. Hier setzt das ERC Starting Grant-Projekt BRAINMASTER von Prof. Dr. Danijela Gregurec an: Ihr Ziel ist, eine innovative bimodale, drahtlose, minimal-invasive Technologie zur neuronalen Modulation zu entwickeln, mit der neurologische Erkrankungen räumlich und zeitlich präzise behandelt werden können.

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Prof. Dr. Anna Nelles, die an der FAU als Professorin für Experimentelle Astroteilchenphysik forscht und gleichzeitig als Wissenschaftlerin am Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY in Zeuthen (Host Institution für den ERC Grant) tätig ist, baut auf Grönland ein Netzwerk von Radioantennen auf, um damit extrem energiereiche Neutrinos aus dem Weltall zu belauschen. Neutrinos sind flüchtige Elementarteilchen, die sich von nahezu nichts aufhalten lassen. Sie durchqueren ungehindert Wände, Planeten und ganze Galaxien und erreichen uns daher aus den fernsten Winkeln des Kosmos und aus dem Zentrum extremer Prozesse wie etwa Supernova-Explosionen von Sternen oder aus den Staubscheiben um Schwarze Löcher.

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Eine nicht-invasive Alternative für eine Darmspiegelung ist die multispektrale opto-akustische Tomographie (MSOT), ein molekular-sensitiver Ultraschall. Diese optische Bildgebungsmethode nutzt Laserlicht, um im Körper Schwingungen zu erzeugen, die dann wiederum mit hochsensitiven Detektoren wahrgenommen und zu einem Bild zusammengesetzt werden können. PD Dr. Dr. Ferdinand Knieling erforscht in seinem ERC-geförderten Projekt, wie MSOT weiterentwickelt und für die frühzeitige Lokalisierung von Entzündungsprozessen im Darm eingesetzt werden kann. Zusammen mit seinem Team hat er entdeckt, dass Farbstoffe, die auf oralem Wege verabreicht werden, die dynamische Visualisierung des gesamten Darmtrakts ermöglichen. Dieser molekularsensitive Ansatz hat den Vorteil, dass solche Kontrastmittel nicht systemisch absorbiert werden und weitgehend unverändert ausgeschieden werden.

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Stefan Uderhardt wurde für seine bisherigen herausragenden Leistungen in der Wissenschaft sowie für ein besonders innovatives Forschungsprojekt ausgezeichnet. Mit dem Geld will der Wissenschaftler herausfinden, wie der Körper zielgerichtet auf Gefahren mit Immunreaktionen reagiert. In seinem Projekt mit dem Namen „Network Synergies in Stromal Tissue Homeostasis and Prevention of Inflammatory Disease“ schlägt Stefan Uderhardt ein revolutionäres Konzept vor, in dem er ein „Internet des Gewebes“ postuliert, welches den Ort, die Zeit und das Ausmaß des Schadens den Fresszellen mitteilt.

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Den ERC Starting Grant will Braun nutzen, um die Auswirkungen der Digitalisierung im Gesundheitsbereich auf den Menschen genauer zu untersuchen. „Zu den aufkommenden Technologien gehören sogenannte Digitale Zwillinge“, sagt der Ethiker. Bei einem solchen Digitalen Zwilling handelt es sich um Simulationen von bestimmten Körperfunktionen beziehungsweise von Organen, die mittels Methoden Künstlicher Intelligenz erstellt wurden. Diese können in Echtzeit Vorhersagen zu Gesundheitsrisiken und Krankheitsverläufen erstellen und individuelle Feedbacks und Warnungen geben. Der Digitale Zwilling könnte auch für Tests herhalten, ob oder welche Behandlungsmethoden bei einer bestimmten Person erfolgversprechend sind. Ebenso könnten Operationen trainiert und getestet werden.

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Dr. Johannes Fürst möchte mit seinem Projekt FRAGILE diese Prognosen der Vorhersagemodelle für die Entwicklung von Gletschern deutlich verbessern. Dafür will er immense Mengen bislang meist ungenutzter Fernerkundungsdaten – also Satellitenbilder – der vergangenen 20 bis 30 Jahre verwerten und systematisch für die Modellierung heranziehen. Die Datenflut beinhaltet eine inzwischen zweiwöchentliche Abdeckung jedes Gletschers auf unserem Planeten, inklusive der Vermessung seiner momentanen Geschwindigkeit und seiner Oberfläche. Diese Information soll systematisch und über die Zeit hinweg in das neue Vorhersagemodell einfließen.

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Dr. Dominik Munz will in seinem Projekt PUSH-IT mit seinem Team neue Reaktionskonzepte entwickeln, um Wunschreaktionen anzustoßen, die für die Herstellung von Medikamenten oder für die Energieumwandlung und -speicherung benötigt werden. Die avisierten „Traumreaktionen“ sollen durch eine Separierung von Ladungen, das heißt dem Schubsen („Pushen“) von Elektronen in chemischen Bindungen, ermöglicht werden.

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Das Ziel von Dr. Benoit Merles Projekts ist es, die Nanoindentierung zu einem neuen Werkzeug für Versuche mit hoher Verformungsrate zu entwickeln – durch gleichzeitige Fortschritte bei Hardware und experimentellen Methoden. Das neue Verfahren wird millionenfach höhere Verformungsraten charakterisieren können als bisherige Methoden – auf millionenfach kleinerer Ebene.

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Veit Rothhammer beschäftigt sich mit der Rolle von Astrozyten bei Autoimmunerkrankungen des Gehirns und des Rückenmarks wie Multiple Sklerose. Astrozyten beeinflussen schwer therapierbare Phasen der Multiplen Sklerose maßgeblich. Durch ein besseres Verständnis ihrer Funktion soll es gelingen, neue Therapieansätze für die Krankheit zu entwickeln, um die starken Schäden an Gehirn und Rückenmark zu behandeln.

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Bei den Erkrankten einer Autoimmunerkrankung kann das Immunsystem nicht mehr zwischen eigenem Gewebe und einer Bedrohung von außen unterscheiden und löst im Körper als Abwehrreaktion eine Entzündung aus, zunächst meist in einem Organ – etwa dem Darm oder der Haut. Die Entzündung breitet sich oft im Lauf der Zeit von dem ursprünglich befallenen Organ auf andere Bereiche im Körper aus und die Erkrankung wird schwerwiegender. Mit seiner Arbeitsgruppe untersucht Dr. Andreas Ramming molekulare Mechanismen, die jene Ausbreitung der Autoimmunreaktion auf andere Regionen im Körper triggern. Er und sein Team haben in den vergangenen Jahren Daten gesammelt und erste molekulare Signaturen entdeckt, die anscheinend diese verhängnisvolle Entwicklung begünstigen. Nun wollen die Mediziner den Prozessen dahinter tiefer auf den Grund gehen und verstehen, welche Zellen beteiligt sind.

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Stahl ist als Werkstoff zwar schon Jahrtausende alt, wird aber auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Wenn Wasserstoff zu einem wichtigen Energieträger wird und zum Beispiel Stahltanks zu dessen Lagerung benötigt werden, wird die Weiterentwicklung des Materials äußerst wichtig. Dieser Aufgabe hat sich Peter Felfer verschrieben. Wasserstoff ist eigentlich der Erzfeind von Stahl. Dringt das Element in das Metall ein, wird fester und zäher Stahl plötzlich spröde und brüchig. Peter Felfer erforscht die dahinterliegenden Mechanismen.

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Zweidimensionalen Materialien haben aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten das Gebiet der Materialwissenschaften erobert. Gonzalo Abellán Saez widmet sich im Rahmen seines Projekts den Elementen Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut. Die Bandbreite an Eigenschaften dieser Stoffe erlaubt eine besonders vielseitige Verwendung. Die neuartigen 2D-Materialien eignen sich hervorragend für Optoelektronik, Energiespeicherung und Katalyse. Sie könnten verwendet werden, um Akkus oder Solarzellen herzustellen. Auch bei der Entwicklung von neuen Lasern, Bildschirmen und Datenträgern könnten sie sich als nützlich erweisen.

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Stefan Sandfelds Ziel ist eine „Sprache“ für Versetzungsmikrostrukturen. Damit sind Defekte gemeint, die in Metallen oder Halbleitern für mechanische, optische und elektronische Eigenschaften verantwortlich sind. Die Sprache soll es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ermöglichen, unterschiedliche Methoden und Daten miteinander zu vergleichen und zu analysieren. Stefan Sandfeld hat den ERC Grant an der TU Freiberg erhalten.

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Martin Eckstein untersucht, wie sich Eigenschaften, etwa Magnetismus oder Supraleitung, von Festkörpern mit Hilfe von Ultrakurzzeitspektroskopie in extrem kurzer Zeit manipulieren lassen. Dabei geht es ihm zum Beispiel auch darum, zwischen unterschiedlichen Zuständen mit verschiedenen Eigenschaften zu schalten, was eine neue und schnelle Kommunikationstechnologie bedeuten könnte. Den ERC Grant erhielt Martin Eckstein am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie.

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Björn Braunschweig geht dem Schaum von A bis Z auf den Grund. So untersucht er alle Hierarchieebenen von winzig klein bis riesengroß: Er nimmt die Molekülstruktur an der Grenzfläche ebenso unter die Lupe wie die Schaumblase selbst mit ihren Wänden, den Lamellen, und schließlich den sichtbaren Schaum. Björn Braunschweig untersucht dazu den molekularen Aufbau von Grenzflächen. Mit den Erkenntnissen aus allen Größenskalen, lässt sich gezielt die Eigenschaft eines Schaums steuern und verbessern.

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Moderne elektronische Geräte müssen nicht nur immer leistungsfähiger, sondern auch immer kleiner werden. Molekulare Elektronik bietet die Chance, winzig kleine Bauelemente oder Sensoren aus funktionellen Molekülen herzustellen. Wie sich die Anordnung von Molekülen und deren Wechselwirkung untereinander kontrollieren lässt, untersucht Sabine Maier. Sie will es schaffen, aus einzelnen Molekülen unvorstellbar dünne, extrem stabile und elektrisch gut leitende Molekülteppiche richtig fest zusammenzuknüpfen.

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Andreas Bräuer nimmt Gemischheterogenität in Hochdruckprozessen und ihren Einfluss auf die Produkteigenschaften unter die Lupe. Als Analysewerkzeuge kann er aber keine Mikroskope verwenden, sondern muss auf optische Messtechniken zurückgreifen. Diese erlauben es, aus technischen Anlagen zeitlich und lokal aufgelöste Informationen über den Gemischzustand auf molekularer und gleichzeitig auf makroskopischer Ebene zu gewinnen. Solche Instrumente hat Andreas Bräuer in den letzten Jahren selbst entwickelt.

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Täglich steht unser Immunsystem vor der Aufgabe, zwischen schädlichen Mikroorganismen und körpereigenen Zellen zu unterscheiden. Das Immunsystem führt eine Art Mülltrennung mit Hilfe von Phagozyten (Fresszellen) durch. Dieser Prozess bewirkt die Immunreaktion gegen Krankheitserreger und unterstützt die immunologischen Toleranz gegen den eigenen Körper. Gerhard Krönke will neue Methoden zur Untersuchung der koordinierten Phagozytose und der Weiterverarbeitung von Krankheitserregern und toten körpereigenen Zellen untersuchen. Die Erkenntnisse werden die Entwicklung neuer Therapieansätze zur Behandlung von Infektions- und Autoimmunerkrankungen ermöglichen.

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Die Physikerin Ana-Suncana Smith untersucht die Funktionsweise von Biomembranen in lebenden Zellen. Biologische Membranen sind für den selektiven Transport von Molekülen oder die Übertragung von Signalen zwischen den Zellen zuständig. Viele Medikamente können nur wirken, wenn die Biomembran ihre Rolle in der Zelle zuverlässig erfüllt. Ana-Suncana Smith will die (bio-)physikalischen Gesetzmäßigkeiten in der Zelle ausfindig machen und daraus eine Theorie entwickeln – in einem ersten Schritt an biomimetischen Membranen, also künstlich hergestellten Membranen als vereinfachtem Modellsystem. Im zweiten Schritt folgt der Test in der lebenden Zelle.

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Jana Zaumseils Forschung hat zum Ziel, Leuchtkraft und Energieeffizienz organischer Leuchtdioden zu verbessern. Dazu nutzt sie sogenannte plasmonische Nanoantennen, kleinste Goldpartikel von nur ca. 10 bis 100 Nanometern Durchmesser. Ähnlich wie Radioantennen, die Radiowellen verstärken, sollen die Nanoantennen die in den Leuchtdioden erzeugten Lichtwellen verstärken und die Diode somit heller leuchten lassen. Organische Leuchtdioden könnten zum Bau von Displays für Smartphones und Computer oder in optischen Kommunikationsschaltkreisen eingesetzt werden.

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Der Mathematiker Aldo Pratelli beschäftigt sich mit geometrischen und funktionalen Ungleichungen, vor allem den isoperimetrischen und Sobolev Ungleichungen. In diesem Bereich gibt es noch einige ungeklärte Fragen, die Aldo Pratelli mit unterschiedlichen Methoden, wie geometrischen Konstruktionen und Symmetrisierung, klären möchte.

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Jens Titze untersucht den Zusammenhang zwischen Kochsalzablagerungen in der Haut und der Entstehung von Bluthochdruck. Er konnte zeigen, dass neben Gehirn, Blutgefäßen und Nieren auch das Immun- und das Lymphgefäßsystem an der Regulierung des Blutdrucks beteiligt sind. Sein Team und er stellten fest, dass Kochsalz in der Haut gespeichert werden kann. Um dieses versteckte Salz zu erkennen, sendet der Körper Fresszellen in die Haut. Dort sorgen die Immunzellen dafür, dass das Salz aus dem Gewebe transportiert wird. Wird dieser Reinigungsprozess gestört, reichert es sich in der Haut an. Die Folge ist Bluthochdruck.

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Florian Marquardt und sein Team erforschen nanomechanische Systeme, die kleiner sind als ein menschliches Haar dick. Diese Systeme werden allein durch den Strahlungsdruck des Lichtes angetrieben und ihre Schwingungen wirken gleichzeitig auf das Lichtfeld zurück. Ziel des Wissenschaftlers ist es, mechanische Bewegungen im Nanobereich möglichst präzise erfassen zu können. Mit dieser Arbeit will er neue Anwendungen in der Signal- und Informationsverarbeitung, zum Beispiel in sogenannten „optomechanischen Schaltkreisen“ oder auch in der Biophysik, ermöglichen.

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Als Immunologe forscht David Vöhringer zu Immunfaktoren, die für die Entstehung von Allergien verantwortlich sind. Entscheidend sind dabei IgE-Antikörper, die eigentlich harmlose Substanzen erkennen und so eine Immunreaktion auslösen. David Vöhringer untersucht diese IgE-Antikörper, deren Lebensspanne und wie sie gebildet werden. Den ERC-Grant hat er an der LMU München erhalten.

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Katerina E. Aifantis interessiert sich vor allem für Materialien im Nanobereich und insbesondere für Nanomechanik. Ihre Forschung findet im Übergang zwischen Mikro- und Nanobereich statt und untersucht Mikrostrukturen, elektrochemische Fähigkeiten und Biokompatibilität von Nanomaterialien. Sie erhielt den ERC-Grant an der Universität Thessaloniki.

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Neuronen, die Nervenzellen unseres Gehirns, sind extrem langlebig und werden kaum durch neue Zellen ersetzt. Deshalb ist es elementar für sie, dass sie ihre Funktion und ihren Zelltyp robust aufrechterhalten. „Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen für die Langlebigkeit und das Fortbestehen von Neuronen ist der Schlüssel zur Vorbeugung und Behandlung altersbedingter neurologischer Krankheiten“, sagt Prof. Dr. Tomohisa Toda, Professor für neurale Epigenomik an der FAU.

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Materialien müssen viel aushalten: Sie sind Umwelteinflüssen wie Hitze, Kälte oder Feuchtigkeit ausgesetzt, mechanische Belastungen wirken auf sie ein, und bei ihrer Herstellung muss sichergestellt sein, dass Prozessierungsschritte erfolgreich waren – dass zum Beispiel Materialverbünde zuverlässig verklebt sind. Prüfverfahren, die das Material „durchleuchten“, sind aufwändig und teuer. Nicht zuletzt deshalb werden Bauteile vorsorglich ausgetauscht oder Produkte einfach weggeworfen, anstatt sie zu recyceln, obwohl sie unter Umständen noch genutzt werden könnten.

Karl Mandel, Professor für Anorganische Chemie an der FAU und Stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg, will das ändern. Er will Materie so funktionalisieren, dass sie ihre Geschichte erzählen kann. „Materialien und Bauteile sollen in die Lage versetzt werden, Umwelteinflüsse wahrzunehmen, aufzuzeichnen und uns dann mitzuteilen – und zwar über den gesamten Lebenszyklus hinweg“, erklärt er.

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Professor Kainz und sein Team wollen mit ihrem Projekt zum maschinellen Lernen Computerprogramme dazu bringen, gesunde Gewebestrukturen zu erkennen. So könnte die Künstliche Intelligenz diagnostisch gewonnene Bilder bereits nach den Merkmalen „voraussichtlich gesund“ oder „eventuell krank“ vorsortieren. Die letzte Entscheidung trifft selbstverständlich trotzdem das medizinische Personal. Durch die maschinelle Unterstützung würde das medizinische Personal jedoch Zeit gewinnen, um von der Norm abweichendes Bildmaterial genauer zu analysieren. Außerdem ließen sich mehr Patientinnen und Patienten behandeln. Sie erhielten zudem schneller Gewissheit, ob das Bildmaterial auf gesundheitliche Probleme hindeutet.

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Prof. Dr. Aline Bozec möchte neue Einblicke in den lokalen Knochenstoffwechsel ermöglichen, insbesondere wie das Osteozytensterben auf molekularer Ebene reguliert wird. Osteozyten sind langlebige Zellen innerhalb der Knochenmatrix und mit Abstand die häufigsten Zellen im Knochen. Mit ihrem Projekt zielt sie darauf ab, das Osteozytensterben und den molekularen Zusammenhang zwischen Osteozytensterben und der Stimulation von knochenabbauenden Zellen im Zusammenhang mit lokalen Knochenerkrankungen wie Frakturen, Osteonekrose und Arthritis zu charakterisieren.

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Prof. Dr. Gerhard Krönke untersucht Rheumatoide Arthritis in der Frühphase, um so die Entwicklung neuer Therapien zu ermöglichen. Rheumatoide Arthritis zählt zu den häufigsten entzündlichen Autoimmunerkrankungen weltweit. Die Krankheit ist (noch) nicht heilbar, allerdings lassen sich die schmerzhaften Symptome mittels Therapie lindern und das Voranschreiten der Krankheit verlangsamen. Prof. Dr. Gerhard Krönke plant, unterschiedliche neue molekulare Analyseverfahren wie Einzelzellsequenzierung und 3D-Bildgebungsverfahren weiterzuentwickeln und zu kombinieren.

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Prof. Dr. Henry Dube ist ein Ingenieur der besonderen Art: Er baut molekulare Maschinen. Die Herausforderung: Miniaturisiert man Technologie auf Molekülgröße, stellt sich die Frage, wie sich auf molekularer Ebene überhaupt noch Informationen verarbeiten lassen und die Technologie sich bedienen lässt. Dabei hat sich ein Ansatz aus der Photochemie bewährt: Bescheint man ein Molekül mit Licht, bewegt es sich von einem Zustand A in einen Zustand B – und dient auf diese Weise als „Photoschalter“. Prof. Dube arbeitet daran, Photoschalter zu bauen, die nicht nur in zwei, sondern in eine Vielzahl von Schaltzuständen versetzt werden können, also eine höhere Informationsdichte haben. Molekulare Maschinen könnten damit für viel komplexere Aufgaben eingesetzt werden und viel präziser arbeiten als bisher. Materialien etwa könnten auf diese Weise verschiedene Eigenschaften annehmen oder Robotiksysteme feinste Greifbewegungen ausführen.

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Prof. Dr. Maria Rentetzi ist Physikerin und Historikerin. Das zeigt sich deutlich in ihrer Forschung: Ihr Schwerpunkt liegt in der Schnittmenge von Wissenschaft und Technik, Wissenschaftsgeschichte, der Geschichte der Diplomatie, Politischer Wissenschaft und Internationalen Beziehungen. Sie erforscht, wie es im 20. Jahrhundert zu der Verlagerung der Deutungshoheit beim Thema Strahlenschutz weg von wissenschaftlichen Organisationen hin zu diplomatischen Organisationen wie der International Atomic Energy Agency gekommen ist und welche Auswirkungen diese sogenannte „Science Diplomacy“ hatte.

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Wie und warum gehen Dinge eigentlich kaputt? Dieser Frage widmet sich Erik Bitzek in seiner Forschung. Wenn Materialien einer Belastung ausgesetzt sind, entstehen Risse. Deren frühe Stadien werden mit unterschiedlichen Methoden untersucht. Die Forschung soll zu einem umfassenden Verständnis für die mikroskopischen Prozesse an der Rissspitze verhelfen. Auf ihrer Basis können Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler dann neuartige, ausfallsichere Materialien entwickeln und weiter verbessern.

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Fuel cells can be used to generate electricity from hydrogen and air. Chemist Bastian Etzold is researching into improved catalysts for such fuel cells. He coats the catalysts with ionic fluids, and has achieved a significant increase in performance as a result. Bastian Etzold received the ERC Grant at TU Darmstadt.

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Für Solarzellen können dank Nanostrukturierung kostengünstige und nachhaltige Materialien verwendet werden. Doch die modernere Technologie ist weniger effizient als Siliziumzellen. Ein möglicher Grund dafür liegt in der ungeordneten Geometrie der verwendeten Nanostrukturen. Hier setzt das Forschungsprojekt von Julien Bachmann an: Er will die Grenzflächen der Materialien auf der Nanoebene geometrisch gestalten, um deren Eigenschaften untersuchen zu können. Je größer die Fläche zwischen zwei Halbleitern ist, desto mehr Licht wird absorbiert und mehr Strom erzeugt. Umso größer jedoch diese Fläche gestaltet wird, desto weniger Strom wird erzeugt. Bachmanns Ziel ist es, aus diesem Gegensatz optimale Eigenschaften durch eine perfekte Geometrie zu erzielen.

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Der Mathematiker Martin Burger, Projektleiter im Exzellenzcluster "Cells in Motion" (CiM) der WWU, erhält rund eine Million Euro für fünf Jahre. Mit seinem Team entwickelt er mathematische Methoden zur Bildverarbeitung und zur Lösung inverser Probleme. Letzteres bedeutet, mithilfe mathematischer Modelle Rückschlüsse auf die Ursache einer beobachteten Wirkung zu ziehen.Ein Beispiel ist die Computertomografie. Dort berechnet man aus der Abschwächung von Röntgenstrahlen ein Bild des Körperinneren. Bei dem nun geförderten Projekt geht es um die Frage, wie man in der biomedizinischen Bildgebung Daten und beobachtete Prozesse miteinander in Verbindung setzen kann.
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Peter Hommelhoff untersucht die Wechselwirkung von Laserlicht und Materie: Dazu fokussiert der Physiker extrem kurze Laserpulse auf das Ende sehr scharfer Metall-Nadelspitzen. Dadurch werden Elektronen aus der Spitze abgelassen. Diese Elektronen vermessen die Forscher. Sie beobachten etwa wie viele Elektronen mit welcher Energie abgegeben werden. Die scharfe Spitze kann auch als Sensor dienen, mit dessen Hilfe Peter Hommelhoff optische Felder vermessen kann. Diese Grundlagenforschung könnte in neuartigen, lichtgesteuerten und extrem schnellen Transistoren münden, die die bereits heute in Glasfasern verwendeten Laserpulse und Elektronik koppeln würden.

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Enrique Zuazua beschäftigt sich unter anderem mit partiellen Differenzialgleichungen, Kontrolltheorie und Numerik. Sein mit dem ERC Grant nun gefördertes Projekt „Control for Deep and Federated Learning (CoDeFeL)” ist stark von den Herausforderungen inspiriert, die sich zum Beispiel durch Anwendungen in der digitalen Medizin ergeben. Das maschinelle Lernen läutet eine neue Ära in der angewandten Mathematik ein und führt zu innovativen und leistungsstarken Methoden. Dadurch entstehen jedoch grundlegende mathematischen Fragen. Enrique Zuazua will diese Herausforderung aus der Perspektive anderer, intensiver erforschten Bereiche der angewandten Mathematik angehen – und zwar aus der Schnittstelle zwischen Kontrolltheorie und maschinellem Lernen.

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Wie vertragen sich Materialkombinationen? Wie sicher halten Verbindungen? Wann brechen oder reißen Bauteile? Mit diesen Fragen beschäftigt sich Paul Steinmann seit über 20 Jahren. Mit dem ERC Grant will Steinmann seine Arbeiten zur Bruchmechanik weicher Materialien wie Gummi und Gewebe intensivieren. Während feste Materialien sich mit Hilfe der klassischen Bruchmechanik analysieren lassen, ist die Mechanik bei weichen Materialien schwieriger vorherzusagen. Das macht die Berechnung des Bruchbeginns und der Rissausbreitung so kompliziert. In seinem Forschungsvorhaben will Steinmann neue Modellierungsansätze und Algorithmen testen, mit denen sich die Rissausbreitung in weichen Materialien numerisch verfolgen lässt.
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Mit der EU-Förderung von 3 Millionen Euro soll die Forschung zur Additiven Fertigung von Hochleistungsbauteilen mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen vorangetrieben werden. Die Additive Fertigung (AF), bekannter unter der Bezeichnung 3D-Druck, wird zunehmend zur Schlüsseltechnologie der Industrie. Üblicherweise kommt bei der AF ein computergesteuerter Laserstrahl zum Einsatz, der aus flüssigen Kunststoffen oder Metallpulvern Schicht für Schicht dreidimensionale Werkstücke aufbaut – zumeist durch Härtungs- oder Schmelzprozesse.

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Bei Teilchenbeschleuniger denkt man sofort an den gigantischen Ring am CERN in der Schweiz. Das Projekt von Prof. Dr. Peter Hommelhoff hat hingegen zum Ziel, kleinste Teilchenbeschleuniger mithilfe von Photonenchips zu entwickeln. Damit sollen zum Beispiel vollkommen neue Möglichkeiten für Bildgebungsverfahren oder die medizinische Strahlentherapie geschafften werden. Aber auch in der Materialanalyse und der quantenmechanischen Grundlagenforschung könnte der Teilchenbeschleuniger von Hommelhoffs Team Anwendung finden.

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Peter Wasserscheid forscht zur Flüssigmetall-Katalyse, um Wasserstoff aus organischen Molekülen freizusetzen. Bei den Reaktionsbeschleunigern (Katalysatoren) handelt es sich um flüssige Metalltropfen, die auf porösen Trägern haften und in dieser Form mit den Reaktanden in Kontakt gebracht werden. Die aktiven Stellen des Reaktionsbeschleunigers sind einzelne Metallatome, die aus einem See an Gallium auftauchen und nach getaner Arbeit wieder in die Flüssigkeit abtauchen. Die einzigartige Dynamik der flüssigen Katalysatoroberfläche erschließt neue Perspektiven für die Metallkatalyse. Faszinierend ist beispielsweise, dass einzelne Metallatome, umgeben von Gallium, sehr ungewöhnliche Eigenschaften zeigen, so dass kostengünstige Metalle unter Umständen teure Edelmetalle ersetzen könnten.
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Der Chemiker Andreas Hirsch forscht zu neuen Materialien, setzt diese aus Molekülbausteinen zusammen und untersucht dann ihre Eigenschaften. So erschließt er neue Anwendungsfelder im Bereich elektrischer Energiespeicher oder Solarzellen. Ein Beispiel dafür ist der schwarze Phosphor, dessen zweidimensionalen Strukturen herausragende elektrische Eigenschaften besitzt. Besonders interessant könnte dies für die Entwicklung neuer Batterien sein. Diese könnten dadurch leistungsfähiger werden als bisherige Lithium-Ionen-Batterien, die in Laptops oder Handys, aber auch in Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.

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Als Experte auf dem Gebiet der Oberflächenforschung beschäftigt sich Hans-Peter Steinrück vor allem mit ionischen Flüssigkeiten. Dank deren physikalisch-chemischen Eigenschaften kann man sie fast beliebig verändern und damit zum Beispiel für die Katalyse in spezifischen chemischen Prozessen und großtechnischen industriellen Verfahren anpassen. Hans-Peter Steinrück untersucht deren Ober- und Grenzflächen, um zum Beispiel Antikorrosionsbeschichtungen auf ein wertvolles Material aufzubringen.

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Als Professor für angewandte Analysis ist es Enrique Zuazuas Ziel Theorie und Praxis zu verbinden. Unter anderem beschäftigt er sich deshalb mit der Steuerungs- und Regelungstheorie insbesondere im Kontext partieller Differentialgleichungen. Ziel ist es, numerische Werkzeuge und Software zu entwickeln, um wichtige Probleme in diesem Bereich zu lösen. Industrielle und interdisziplinäre Anwendungen für diese Lösungen gibt es zum Beispiel in der Luftfahrt, dem Ressourcenmanagement und der Biomedizin.

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Patrik Schmuki widmet sich Materialien und Strukturen im Nanobereich. Er arbeitet zum Beispiel an speziellen Katalysatoren, die aus Wasser oder aus chemischen Abfallprodukten von Kohlenwasserstoffen und unter Einsatz von Sonnenlicht kostengünstig wertvollen Wasserstoff zu erzeugen. Der Vorteil von Photokatalysatoren ist, dass Licht und Wasser direkt zu Wasserstoff umgewandelt werden. Dabei ist es wichtig Verluste zu reduzieren, die an den Grenzflächen zwischen dem Katalysator und Wasser bzw. der Chemikalie entstehen. Dafür beschäftigt sich Patrik Schmuki mit den Materialien und ihren Strukturen im Bereich weniger Nanometer.

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Die Forschung von Gerd Leuchs setzt dort ein, wo Licht in Form eines Photons von einem Atom absorbiert wird. Der Wissenschaftler forscht an Möglichkeiten, die Effizienz dieser Absorption zu steigern. Neben dem Ziel, Licht-Materie-Wechselwirkungen wirksamer zu machen, sind Gerd Leuchs Untersuchungen auch für die Grundlagenforschung relevant. Denn eine höhere Effizienz ist zum Beispiel für die Quanteninformatik und Quantenkommunikation unabdingbar.

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Paul Steinmann erforscht sogenannte magnetosensitive Elastomere. Das sind intelligente Materialien, die aus einer gummiartigen Trägermasse bestehen und mit magnetischen Teilchen angereichert sind. Schon ein schwaches Magnetfeld reicht aus, um diese Materialien schnell und vor allem gezielt zu verformen. Praktische Anwendungen gibt es etwa in der Steuer- und Regelungstechnik, wo Elastomere elektrische Signale in Bewegungen umwandeln.

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In den letzten Jahrzehnten hat Theater weltweit in vielen Lebensbereichen an Bedeutung gewonnen, etwa in Krisen- und Konfliktsituationen, in sozialer Projektarbeit, der Unternehmenskommunikation, in der therapeutischen Behandlung von Traumata und in politischen Kampagnen. Dieses angewandte, alltägliche und zweckorientierte Theater und dessen Darstellungsformen und Aufführungssituationen steht im Mittelpunkt von Matthias Warstats Forschung.

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Vahid Sandoghar’s goal is to detect single ions in one crystal with the help of light. It’s already possible to detect and produce images of atoms, molecules or semiconductor quantum dots. Attempts to do the same with ions in crystals have not been successful until now because the particles only emit small amounts of light. Ions in solid state structures are useful for a series of technical applications. Researchers are hoping to gain new insights into the properties of these individual particles by gaining access to them. In addition, ions could be the key to a new system for quantum optical measurements – the basis for quantum information processing. Vahid Sandoghdar received the ERC Grant at ETH Zürich.

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Peter Wasserscheid erforscht Reaktionsbeschleuniger, sogenannte Katalysatoren. Das sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen. Ziel ist es, Katalysatoren mit Hilfe eines dünnen flüssigen Salzfilms so zu verändern, dass weniger Abfallprodukte entstehen oder die Katalysatoren länger im Einsatz bleiben können, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren. Dabei konzentriert sich Peter Wasserscheid auf Dehydrier-Reaktionen, bei denen organische Moleküle Wasserstoff freisetzen.

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Der Mathematiker Enrique Zuazua beschäftigt sich unter anderem mit partiellen Differenzialgleichungen, Kontrolltheorie und Numerik. Ein besonderes Augenmerk seiner Forschung liegt auf der systematischen Analyse von Wellenausbreitung. Ein Thema mit vielen Anwendungen in vielfältigen Bereichen wie Bewässerung, Luftfahrt, Magnetismus, Design, Akustik oder Optik.

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Andreas Hirsch untersucht Graphen, ein Nanomaterial aus einer einzelnen atomaren Lage. Die Atome bilden dabei eine ultradünne Schicht, wobei sie in einer honigwabenförmigen Struktur zusammengefügt sind. Graphen stellt somit einen zweidimensionalen Kristall dar. Die bisher verwendeten Darstellungsmethoden will Andreas Hirsch um ein skalierbares chemisches Verfahren ergänzen. Darüber hinaus wird die Modifizierung und Derivatisierung des gewonnenen Materials untersucht. Die Bereitstellung von löslichem Graphen stellt einen Schlüsselschritt für die Herstellung von transparenten und leitfähigen Polymeren oder druckbarer Elektronik dar

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Kristian Franze erforscht das Wachstum von Nervenzellen. Dabei konzentriert er sich nicht primär auf die biochemischen Prozesse, sondern auf die mechanischen Kräfte, die dieses Wachstum beeinflussen. In früheren Studien hat Franze herausgefunden, dass die Steifigkeit des umliegenden Hirngewebes maßgeblich daran beteiligt ist, wachsende Nervenzellen in die richtige Bahn zu lenken. Im Projekt UNFOLD, mit dem sich der Physiker und Tierarzt gemeinsam mit spanischen, belgischen und französischen Forschern erfolgreich um einen ERC Synergy Grant beworben hat, sollen diese Arbeiten intensiviert werden. Das Konsortium nimmt vor allem die Hirnfaltung in den Blick: Bekannt ist, dass große Säugetiere mit höheren kognitiven Funktionen eine reich gefaltete Großhirnrinde besitzen – und dass Anomalien mit verschiedenen Behinderungen assoziiert sind.

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Im Projekt „Directed Evolution of Metastable Electrocatalyst Interfaces for Energy Conversion”, kurz DEMI, machen sich Forschende aus Deutschland, Dänemark und der Schweiz auf die systematische Suche nach Elektrokatalysatoren für die Herstellung von Wasserstoff. Das Projektteam verfolgt eine evolutionäre Strategie: Es berechnet und simuliert aussichtsreiche Materialkombinationen, nimmt daran kleinere Veränderungen vor und prüft, ob sie sich positiv oder negativ auswirken. So folgen die Forschenden dem Pfad zum immer besseren Material. Eine Art Materialbibliothek soll es ermöglichen, Tausende Verbindungen gleichzeitig herzustellen, extremen elektrochemischen Bedingungen auszusetzen und somit sehr schnell die „Überlebensfähigen“ zu identifizieren.

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Wenn die Knochen im Alter leichter brechen, steckt dahinter oft Osteoporose. Allerdings ist immer noch nicht ausreichend verstanden, wie die Krankheit entsteht und abläuft. Um dem Abhilfe zu schaffen und raschere Therapieerfolge zu ermöglichen, entwickelt ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der FAU um Prof. Dr. Andreas Maier und Prof. Dr. Georg Schett sowie des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie in Berlin (HZB) ein neues bildgebendes Verfahren. Damit soll erstmals Röntgenmikroskopie am lebenden Menschen ermöglicht werden.

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Wenn die Knochen im Alter leichter brechen, steckt dahinter oft Osteoporose. Allerdings ist immer noch nicht ausreichend verstanden, wie die Krankheit entsteht und abläuft. Um dem Abhilfe zu schaffen und raschere Therapieerfolge zu ermöglichen, entwickelt ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der FAU um Prof. Dr. Andreas Maier und Prof. Dr. Georg Schett sowie des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie in Berlin (HZB) ein neues bildgebendes Verfahren. Damit soll erstmals Röntgenmikroskopie am lebenden Menschen ermöglicht werden.

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