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15.000 Euro für den Physiker Dr. Thomas Frommelt und seinen großen Schritt auf dem Weg zum schnellen Chip-Labor

13.07.2008 - (idw) Universität Augsburg

Erstmalige Verleihung des Professor Erich Krautz-Preises am 14. Juli 2008 im Physikalischen Kolloquium der Universität Augsbug
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Rund 15.000 Euro gehen an den Träger des für das Jahr 2007 erstmals vergebenen Professor Erich Krautz-Preises, den Physiker Dr. Thomas Frommelt. Er erhält die Auszeichnung für seine am Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I (Prof. Dr. Achim Wixforth) angefertigte Dissertation "Mischen und Sortieren mit SAW Fluidik in Simulation und Experiment". Die Preisverleihung findet am Montag, dem 14. Juli 2008, im Rahmen des "Physikalischen Kolloquiums" statt (Beginn 17.15 Uhr im Hörsaal 1004 des Physik-Hörsaalzentrums, Universitätsstraße 1). Die Veranstaltung beginnt mit einem Vortrag von Prof. Dr. Thomas Fässler von der TU München über "Substitution Effects in Intermetallic Compounds". An die auf den Vortrag folgende Preisverleihung schließt sich dann das traditionelle Sommerfest des Instituts für Physik an. Mit einer in die Stiftung der Universität eingegangenen Zuwendung, deren jährliche Erträge sich derzeit auf rund 15.000 Euro belaufen, hat der mittlerweile verstorbene Physiker Prof. Dr. Erich Krautz in seinem Testament die Grundlage für einen nach ihm benannten Preis geschaffen. Mit diesem derzeit höchstdotierten Preis, der an der Universität Augsburg vergeben wird, wird dem Stifterwillen entsprechend jährlich die beste Dissertation auszeichnet, die im jeweils zurückliegenden Akademischen Jahr am Institut für Physik eingereicht wurde. Von den 15.000 Euro gehen 2.500 an den Preisträger persönlich, der Restbetrag ist für Forschungsarbeiten im Themengebiet der preisgekrönten Dissertation vorgesehen. Vorschlagsberechtigt sind alle Professoren und Privatdozenten des Physik-Instituts, entschieden wird von einer Auswahlkommission, der alle Lehrstuhlinhaber des Instituts sowie der Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät angehören.

Wesentlicher Beitrag zum Verständnis der Mikro- und Nanofluidik auf Chip-Labors

Bei der erstmaligen Vergabe des Krautz-Preises entschied die Kommission für Dr. Thomas Frommelt. Die Augsburger Universitätsstiftung und das Institut für Physik würdigen mit dieser Auszeichnung Frommelts "hervorragende Arbeiten zum Mischverhalten mikrofluidischer Flüssigkeitsmengen auf Biochips und deren exakte Modellierung auf Basis eines hoch effizienten Algorithmus". Konkret ist es Frommelt in seiner summa cum laude-Dissertation gelungen, wesentlich zum Verständnis der Mikro- und Nanofluidik auf Chip-Labors beizutragen und zugleich eine Vielzahl technisch-physikalischer Probleme zu lösen. Die Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, die ein entscheidendes Problem auf dem Weg zum Chip-Labor darstellt und die bislang nur diffusiv bzw. über den Umweg sehr komplexer Geometrien möglich war, kann aufgrund des von Frommelt entwickelten Verfahrens wesentlich schneller und einfacher erfolgen.

Dominanz von Oberflächenspannung und Benetzungsphänomenen

Kleinste Flüssigkeitsmengen verhalten sich völlig anders als die im täglichen Leben gewohnten makroskopischen Fluide. Während man für seinen Kaffee z. B. eine Tasse braucht, stabilisieren sich kleinste Tröpfchen durchaus von selbst, wie der Blick auf eine betaute Wiese oder ein betautes Spinnennetz zeigt. Der Grund für das unterschiedliche Verhalten kleiner und großer Flüssigkeitsmengen liegt in der unterschiedlichen Wichtigkeit der auftretenden Kräfte. Während makroskopische Flüssigkeitsmengen vornehmlich den Gesetzen der Schwerkraft und der Trägheit unterliegen, dominieren bei mikrofluidischen Mengen die Oberflächenspannung und Benetzungsphänomene.

Hindernis auf dem Weg zum Chip-Labor

Auf der Nanoliterskala erscheinen Flüssigkeiten deswegen zäh wie Honig. Dies hat weitreichende Konsequenzen, wenn man mikrofluidische Flüssigkeitsmengen pumpen, bewegen oder mischen will, denn eine effektive Bewegung und besonders eine effektive Durchmischung kleinster Flüssigkeitsmengen erweisen sich aufgrund die "Zähigkeit" als schier unmöglich. Und dies wiederum ist ein ganz erhebliches Hindernis auf dem Weg zum sogenannten Chip-Labor, an dessen Realisierung weltweit intensiv geforscht wird. Denn wie von ihren elektronischen Geschwistern, den Mikrochips, erhofft man sich von programmierbaren Miniaturlabors entscheidende Fortschritte in der Mikrobiologie und in der Gentechnik, in der Pharmazie, in der Chemie sowie in der medizinischen Forschung und Diagnostik. Auf einem Chip-Labor nämlich können winzigste Stoffmengen automatisch analysiert und diversen Tests unterzogen werden. Z. B. Eine schnelle Diagnose bereits in der Arztpraxis - ohne den Zeit raubenden Umweg durch ein Großlabor - rückt mit der Entwicklung solcher Chip-Labore in greifbare Nähe. Aber auch für viele andere Anwendungen bieten sich Biochips an: Um etwa Mikroben und Viren zu identifizieren werden sie heute schon in der Lebensmittelkontrolle und zur Prüfung der Wasserqualität eingesetzt.

Mischung mit nanoskopisch kleinen Erdbeben auf dem Chip

Frommelt hat nun einen neuartigen Pump- und Mischmechanismus entwickelt, der der hinderlichen "Zähigkeit" kleinster Flüssigkeitsmengen gewissermaßen keine Chance lässt und somit einen großen Schritt in Richtung Chip-Labor darstellt. Dieser Mechanismus beruht auf der Wechselwirkung zwischen nanoskopisch kleinen Erdbeben - sogenannten akustischer Oberflächenwellen - und ebenso nanoskopisch kleinen Flüssigkeitsmengen auf dem Chip. Wie ein Ultraminiatur-Tsunami durchwirbeln und bewegen diese Nanobeben die winzigen Tröpfchen und Flüssigkeitsfilme. Die Beben werden von Mikroelektroden angeregt, an die ein Hochfrequenzsignal angelegt wird. Verwendet man zwei solcher Epizentren, so gelingt es sogar, eine quasi chaotische Mischung zu erreichen, die besonders schnell zum gewünschten Ergebnis führt.

Auch ein wichtiger Beitrag zur Beschreibung der Gesetze der Mikro- und Nanofluidik

Über diesen Fortschritt im Bereich der technischen Anwendung hinaus ist es dem Experimentalphysiker Frommelt gelungen, durch die Entwicklung ausgefeilter numerischer Algorithmen auch beim theoretischen Verständnis einen gewaltigen Schritt vorwärts zu machen und einen wichtigen Beitrag zur Beschreibung der Gesetze der Mikro- und Nanofluidik zu leisten, die sich wieder aufgrund der gegenüber der "normalen" Makrowelt deutlich veränderten Randbedingungen als sehr schwierig erweist. Es gibt derzeit praktisch noch keine Möglichkeit, das Verhalten kleinster Flüssigkeitsmengen z. B. auf einem Biochip ab initio zu erklären, und auch bei Modellierung und Theorie sind dementsprechend viele Fragen offen. Mit seinem "raytracing-Verfahren" hat Frommelt im Rahmen seiner Forschungen nun auch ein Simulationswerkzeug zur Lösung vieler dieser offenen Fragen entwickelt, mit dem ein handelsüblicher PC die Aufgabe der hydrodynamischen Simulation komplexer mikrofluidischer Strömungen, die bislang kaum zu bewältigen schien, in unerreicht kurzer Zeit schafft.

Der Preisträger Dr. Thomas Frommelt

Dr. Thomas Frommelt, Jahrgang 1978, hat von 1998 bis 2003 an der Universität Augsburg Physik mit Nebenfach Informatik studiert. Thema seiner am Lehrstuhl für Experimentalphysik IV (Prof. Dr. Bernd Stritzker) für die AFS Entwicklungs + Vertriebs GmbH geschriebenen Diplomarbeit war "Der Plasmajet als dielektrische Barrierenentladung und Beschichtungsanlage". Während seiner anschließenden Tätigkeit als Wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl für Experimentalphysik I entstand zwischen 2003 und 2007 seine Doktorarbeit, die im vorigen Jahr auch bereits mit dem Universitätspreis der Gesellschaft der Freunde der Universität Augsburg ausgezeichnet wurde. Für seinen Vortrag über "Vortex engineering with surface acoustic wave fluidics" erhielt Frommelt bei der Konferenz des DFG Schwerpunktprojekts 1164 "Nano- und Mikrofluidik" den ersten Preis. Bereits seit Beginn seines Studiums betreibt Frommelt ein eigenes IT-Unternehmen, seit April 2008 arbeitet er als Projektmanager bei der SGL Carbon GmbH in Meitingen.

Der Preisstifter Prof. Dr. Erich Krautz

Prof. Dr. Erich Krautz wurde am 26. Oktober1906 in Cottbus geboren. Er studierte von 1928 bis 1933 Physik, Mathematik und Chemie an der Friedrich-Wilhelms-Universität zu Berlin, wo Planck, von Laue, Nernst, Schrödinger, Debye, Wehnelt, Hettner, Pringsheim, London und Grotrian zu seinen akademischen Lehrern zählten. Drei Jahre nach dem erfolgreichen Abschluss des Staatsexamens für das höhere Lehramt folgte 1937 folgte die Promotion mit einer Dissertation "Über die dielektrischen Eigenschaften einer Reihe chemisch bestimmter fester Stoffe, insbesondere der wichtigsten Metalloxyde und ihrer Verbindungen, bei Hochfrequenz". Bis zum Kriegsende war Krautz dann als Physiker und Laboratoriumsleiter bei OSRAM in Berlin tätig. 1946 habilitierte er sich an der TH Braunschweig, wo er 1953 zum apl. Professor.

In den 1950er und 1960er Jahren Forschungsdirektor bei OSRAM in Augsburg

Auch nach dem Krieg setzte Krautz seine Tätigkeit für OSRAM fort, jetzt aber am Standort Augsburg: Er war maßgeblich am Aufbau der Augsburger OSRAM-Forschungslaboratorien für Physik und Chemie beteiligt, wurde 1955 deren Direktor und ein Jahr später zum apl. Professor an der damaligen TH München ernannt. 1965 schließlich wurde Krautz zum ordentlichen Professor für Angewandte Physik und Lichttechnik an die Technische Hochschule Graz berufen, verbunden mit der Herausforderung, unter schwierigen Bedingungen ein vollkommen neues Institut aufzubauen. Sei primäres Forschungsinteresse in Graz, wo er 1977 emeritiert wurde, galt der Materialphysik und hier insbesondere den Metalloxiden, -nitriden und -karbiden sowie v. a. auch der Feldionen-Mikroskopie.

Experte in Sachen Lumineszenz

Krautz reiche Forschungstätigkeit schlug sich in einer Vielzahl von Veröffentlichungen nieder. Zu seinen Buchbeiträgen zählen das Elektro-Lumineszenz-Kapitel in Riehls Klassiker "Lumineszenz" und mehrere Beiträge über experimentelle Methoden im berühmten Handbuch "Praktische Physik" von H. Kohlrausch. Auf der Weltausstellung in Brüssel erhielt er 1958 die Silbermedaille für seinen Beitrag über Lumineszenz. Während seiner Augsburger Zeit bei OSRAM war Krautz Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Bayern, als Professor in Graz wurde er in den 1970er Jahren Vorstandsmitglied der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft. 1980 wurde ihm das Österreichische Ehrenkreuz für Wissenschaft und Kunst 1. Klasse verliehen.

"... war ein stiller Freund des Augsburger Physik-Instituts"

Gegen Ende der 1990er Jahre zog Prof. Dr. Erich Krautz aus familiären Gründen von Graz zurück in die Nähe seiner ehemaligen Wirkungsstätte Augsburg und lebte bis zu seinem Tod in Friedberg. "Professor Krautz war ein stiller Freund des Augsburger Physik-Instituts", berichtet Prof. Dr. Ulrich Eckern, der Vorsitzende der Krautz Preis-Auswahlkommission: "Erst nach seinem Tod haben wir von seiner großzügigen Zuwendung für das Institut für Physik erfahren." Es sei wohl charakteristisch für Erich Krautz, wie er noch im hohen Alter von 95 Jahren in seinem Testament sogar das Verfahren der Preisvergabe detailliert festgelegt habe.
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Kontakt:


Dr. Thomas Frommelt
Telefon 0821/6503206
info@thomas-frommelt.de

Prof. Dr. Ulrich Eckern
Lehrstuhl für Theoretische Physik II
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon 0821/598-3236
ulrich.eckern@physik.uni-augsburg.de
Weitere Informationen: http://thomas-frommelt.de http://www.physik.uni-augsburg.de/krautz/2007.shtml http://idw-online.de/pages/de/news165761
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