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Photonische Technologien zur Beschleunigung von Umweltanalysen

Optica Foundation Challenge unterstützt die Erforschung von Technologien, die eine schnellere Messung von Nanokunststoffen in Boden und Wasser ermöglichen und Treibhausgase nachweisen

•  200.000 USD an Fördermitteln für Photonikunternehmer, die Technologien zur Verbesserung von Umweltanalysen und Verkürzung der Reaktionszeit entwickeln

•  Nachweis von Nanokunststoff-Toxinen mit lichtbasierten Sensoren

•  Erforschung einer neuen Wellenlänge zur Erkennung von Treibhausgasen

WASHINGTON, 17. Januar 2024 /PRNewswire/ -- Die Optica Foundation hat heute weitere Einzelheiten zum Umweltforschungsprojekt veröffentlicht, das durch die Optica Foundation Challenge 2023 finanziert wird. Die beiden Forscher Justus Ndukaife, Vanderbilt University, USA, und Yicheng Wang, Ruhr-Universität-Bochum/Photonics and Ultrafast Laser Science (PULS), Deutschland, arbeiten an lichtbasierten Lösungen zum Erkennen, Messen und Bekämpfen von Umweltgiften in Form von Nanokunststoffen und Treibhausgasen.

Optica Foundation donors believe that by attracting, supporting and retaining the most capable young scientists and engineers in optics, we can drive breakthroughs that shape our future. By investing in student and early-career professionals and fostering their interest, we ensure the continued advancement of our field. For over 20 years, the Optica Foundation has been dedicated to this endeavor. optica.org/foundation

„Angesichts der verschiedenen globalen ökologischen Herausforderungen erforschen Fachleute aus Wissenschaft und Ingenieurswesen neue wegweisende Lösungen, um die entscheidenden Probleme effektiv anzugehen", so Alan Willner, Vorsitzender des Auswahlkomitees des Wettbewerbs. „Dr. Ndukaife und Dr. Wang haben innovative Photoniklösungen vorgestellt, um Umweltgifte effizienter und schneller aufzuspüren, damit sie reduziert und vermieden werden können."

Die Forschungsarbeiten werden mit jeweils 100.000 USD von der Optica Foundation unterstützt. Ndukaife und Wang werden diese Mittel für folgende Forschungsziele einsetzen:

Nachweis von Nanokunststoff-Toxinen mithilfe von lichtbasierten Sensoren

•  Justus Ndukaife, Vanderbilt University, USA
Plasmonische Nanopinzette der nächsten Generation für eine durchsatzstarke Analyse von Nanokunststoffen
Zusammenfassung der Forschungsarbeit

Im Prinzip ist die Lebensdauer von Kunststoffen unbegrenzt. Tatsächlich liegen 79 % aller hergestellten Kunststoffe auf Mülldeponien oder irgendwo in der Natur. Dort zerfallen die Kunststoffe in kleinste Toxine – Nanokunststoffe, die aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer durchdringenden physikalischen Eigenschaften toxikologisch weitaus aktiver sind als Mikroplastik. Diese Partikel kontaminieren Böden und Wasserwege stellen so eine Gesundheitsgefahr für ganze Ökosysteme dar.

Der Nachweis von Nanokunststoffen bleibt aufgrund ihrer Größe im Nanometerbereich eine große Herausforderung. Die heutigen Analyseinstrumente sind limitiert und erschweren ein umfassendes Verständnis der Exposition gegenüber Nanoplastik und ihrer Folgen. Eine neue Forschungsarbeit von Justus Ndukaife, Vanderbilt University, USA, zielt darauf ab, die Messung einzelner Nanokunststoffpartikel mithilfe einer Lösung zu ermöglichen, die als plasmonische Nanopinzette bezeichnet wird.

„Nanokunststoffe beeinträchtigen nicht nur unsere Umwelt, sondern auch unsere Gesundheit. Diese Toxine wurden bereits in Säuglingsnahrung gefunden, die von der Flasche abgegeben wurden. Mir als frischgebackenem Vater gibt dies zusätzlichen Anlass zur Sorge", berichtet Ndukaife. „Wenn wir dazu in der Lage sind, auf Nanokunststoffe zu testen, können wir uns und unsere Welt besser schützen. Die Photonik besitzt das Potenzial, diese Giftstoffe auf der Ebene einzelner Partikel nachzuweisen, und ich bin überzeugt, dass plasmonische Nanopinzetten eine mögliche Lösung darstellen."

Mithilfe plasmonischer Nanopinzetten hat Ndukaife eine Methode zum Einfangen und Analysieren mikroskopischer und nanoskopischer Kunststoffpartikel mit hohen Durchsatzraten entwickelt. In der ersten Projektphase will er nachweisen, dass die Nanopinzetten diese Partikel effektiv erkennen können. Anschließend plant er, die einzigartigen chemischen Marker dieser Partikel als eine Art „Fingerabdruck" zu identifizieren, um die Unterscheidung von anderen Materialien zu ermöglichen. Innerhalb der nächsten sechs Monate will Ndukaife diese Schritte kombinieren, um eine Technik zu entwickeln, die diese winzigen Schadstoffe nicht nur erfasst, sondern auch auf präzise und effiziente Weise identifiziert. Damit ebnet seine Forschungsarbeit den Weg für einen schnelleren und zuverlässigeren Ansatz zur Identifizierung und Untersuchung dieser Schadstoffe durch die Anwendung einer innovativen lichtbasierten Technologie.

Neue Wellenlänge für eine präzisere Erkennung von Treibhausgasen

•  Yicheng Wang, Ruhr-Universität-Bochum/Photonics and Ultrafast Laser Science (PULS), Deutschland
Leistungsstarke 2-μm-Frequenzkämme zur schnellen Messung von Treibhausgasen (HoLa-Comb)
Zusammenfassung der Forschungsarbeit

Die Klimakonferenz der Vereinten Nationen (COP28) endete im Dezember 2023 mit der Erklärung, dass die globalen Treibhausgasemissionen bis 2030 um 43 % gesenkt werden müssen. Ungeachtet der Entschlossenheit, die Emissionen zu reduzieren, ist es nach wie vor schwierig, die notwendigen Daten zu erfassen, die als Handlungsgrundlage dienen sollen. Die Überwachung regionaler Emissionen durch eine präzise Ferndetektion dieser Gase stellt weiterhin eine Herausforderung dar.

Eine neue Forschungsarbeit von Yicheng Wang, Ruhr-Universität-Bochum/Photonics and Ultrafast Laser Science (PULS), Deutschland, zielt darauf ab, dieses Problem durch den Einsatz eines neuen Sensortyps zu lösen. Aufbauend auf den Forschungserkenntnissen zu Holmium-basierten Lasersystemen wird Wang einen neuen Ansatz entwickeln, der den Nachweis von Treibhausgasen im 2-Mikrometer-Wellenlängenbereich ermöglicht. Diese Wellenlänge bietet potenzielle Vorteile für eine zuverlässigere Erkennung von Treibhausgasen, indem die Sensoren Treibhausgase effektiver mit granularer Präzision lokalisieren.

„Unternehmen, die in die Klimaforschung investieren oder Öl- und Gasvorkommen fördern, sind auf präzise Tools angewiesen, um Emissionen zu messen", so Wang. „Die von mir verfolgte Lösung – der HoLa-Comb – wird eine leistungsstärkere und stabilere Sensorik ermöglichen und zugleich den Anforderungen an Kompaktheit und Unkompliziertheit gerecht werden."

Als ersten Schritt plant Wang, Einzelheiten zu diesem neuen Laser und dem Proof-of-Concept-Design von HoLa-Comb zu veröffentlichen. Innerhalb von sechs Monaten wird er einen Prototyp bauen und diesen für Tests stabilisieren. Bis zum Jahresende soll die erste Demonstration dieser modernen Technologie zur Messung von Treibhausgasemissionen stattfinden.

Die beiden Forschungsinitiativen wurden durch Fördermittel der Optica Foundation Challenge ermöglicht. Dieser Wettbewerb soll Nachwuchskräfte dazu anregen, kreative Lösungen zu verfolgen, und Startkapital für die Erforschung von Hypothesen in den Bereichen Umwelt, Gesundheit und Information bereitstellen. Jeder der Empfänger erhielt 100.000 USD, um seine Ideen zu realisieren und kritische globale Probleme anzugehen. Beide haben die Arbeit an diesen Projekten begonnen und rechnen damit, dass sie noch in diesem Jahr erste Ergebnisse vorlegen können. Für nähere Informationen besuchen Sie optica.org/Challenge.

Informationen zu Optica
Optica (ehemals OSA), Advancing Optics and Photonics Worldwide, ist eine Gesellschaft zur Förderung der Generierung, Anwendung, Archivierung und Verbreitung von Wissen auf dem Gebiet der Optik und Photonik. Sie wurde 1916 gegründet und ist die führende Organisation für Wissenschaftler, Ingenieure, Geschäftsleute, Studenten und andere Interessierte an der Wissenschaft des Lichts. Die namhaften Veröffentlichungen, Tagungen, Onlineressourcen und Präsenzveranstaltungen von Optica fördern Entdeckungen, prägen Praxisanwendungen und beschleunigen wissenschaftliche, technische und bildungspolitische Erfolge. Erfahren Sie mehr unter: Optica.org

Informationen zur Optica Foundation
Die Geldgeber der Optica Foundation sind davon überzeugt, dass wir durch die Anwerbung, Unterstützung und Bindung der fähigsten jungen Wissenschafts- und Ingenieurstalente im Bereich der Optik wichtige Durchbrüche beschleunigen können, die unsere Zukunft prägen werden. Indem wir in Studierende und Berufstätige am Beginn ihrer Karriere investieren und ihr Interesse fördern, sorgen wir für eine kontinuierliche Weiterentwicklung unseres Fachgebiets. Seit mehr als 20 Jahren widmet sich die Optica Foundation diesem Ziel. optica.org/foundation

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Cision
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