Die Flusssysteme Amazonas und Rio Pará tragen das größte Volumen an Süßwasser in den Ozean ein und bilden eine wichtige Schnittstelle für den Eintrag von Spurenmetallen und gelösten organischen Stoffen (DOM) vom Land in den Ozean. Neben der Bedeutung des Amazonas für den globalen Spurenmetallhaushalt des Ozeans hat sein Mikronährstoff-Eintrag auch einen großen Einfluss auf die biologische Produktivität der Küsten- und Schelfregion und darüber hinaus. Das Hauptziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, die Rolle der chemischen Speziation und der physiko-chemischen Größenfraktionierung von Spurenmetallen im Mischungskontinuum dieser Flüsse zum Atlantik zu verstehen. Wir werden die Wechselwirkungen von Spurenmetallen mit DOM und Kolloiden in der Wassersäule und den Oberflächensedimenten der Amazonas- und Pará-Mündung und der damit verbundenen Mischungsfahne sowie des Mangrovengürtels mit Grundwassereintrag südöstlich des Rio Pará untersuchen. Basierend auf Proben, die während der Forschungsfahrt M147 in der Hochwasserperiode 2018 genommen wurden, und vorläufigen Daten, die in unserem Labor erzeugt wurden, werden wir Veränderungen der Spurenmetallverteilungen und -speziationen in der Amazonas-Region entlang der Salzgradienten untersuchen. Um zu beurteilen, was die chemische und physikalische Speziation und den Transport von Spurenmetallen im Ästuar und in der Abflussfahne kontrolliert, werden wir uns auf drei verschiedene Prozesse konzentrieren: • Größenfraktionierung, Sorption und Entfernung von Spurenmetallen: Sorption von Spurenmetallen an Flusspartikeln und Ausfällung durch Koagulation von Kolloiden und Größenfraktionierung; wie verändert sich die Assoziation von Spurenmetallen mit verschiedenen löslichen, kolloidalen und partikulären Fraktionen entlang des Salzgehaltsgradienten?• Lösungskomplexierung: Bildung von löslichen metall-organischen Komplexen; wie verstärkt dieser Prozess den Metalltransport durch Konkurrenz mit Sorption an Kolloiden und Ausfällung? • Akkumulation von Spurenmetallen in Sedimenten: wie wirken die Sedimente als Senke und Quelle von Spurenmetallen, und können Oberflächensediment und Porenwasser zu den Spurenmetallflüssen in der Region beitragen? Zusätzlich zu den voltammetrischen und ICP-MS-Analysen der M147-Proben werden wir eine systematische Untersuchung des Mischungsverhaltens verschiedener Elementgruppen (konservativ, partikel-reaktiv und organisch-komplexiert) durchführen, indem wir Labor-Mischungsexperimente mit Meer- und Flusswasser-Endgliedern durchführen, die während der anstehenden Fahrt M174 im Amazonasgebiet genommen werden. Damit erwarten wir, ein ganzheitliches Bild der komplexen Prozesse der Spurenmetall-Biogeochemie und der Elementflüsse in diesem größten Mündungssystem der Welt zu erhalten. Dieses Wissen wird auch wichtig sein, um mögliche Auswirkungen in diesem Gebiet aufgrund der anhaltenden anthropogenen Einflüsse in dieser Region und der sich ändernden klimatischen Bedingungen vorherzusehen.
Ultrafeine Partikel haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten Nanopartikel sind vielfaeltig anwendbar, wie z.B. als Ausgangsmaterialien fuer hochfeste Werkstoffe, in Gassensoren, als Katalysatoren, in Arzneimitteln und in Testaerosolen fuer die Heissgasentstaubung. Es wurde eine Anlage zur Nanopartikelerzeugung durch Laserverdampfung entwickelt. Zur Herstellung wird Aluminiumoxidkeramik, Graphit, Kupfer oder Aluminium mit einem C02-Laser verdampft. Aus der Kondensation entstehen kugelfoermige Primaerpartikel in einem Groessenbereich zwischen 10 und 500 Nanometern. Nach der Erstarrung koennen die Partikel durch Agglomeration unregelmassig geformte Ketten oder Flocken bilden. Deshalb wird das Aerosol so weit verduennt, dass Kollisionen der Partikel unwahrscheinlich werden und damit die Agglomerationswahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Das zu verdampfende Material, in Form eines runden Targets, ist unter einen Drehteller montiert, der in Rotation versetzt und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Der Laserstrahl wird von unten auf das Target fokussiert und hinterlasst durch die Targetbewegung eine spiralfoermige Bahn auf der Materialoberflaeche. Das Material verdampft lokal im Laserfokus. Der Dampf wird durch radial zustroemendes Argon in einen Sinterkegel unterhalb des Targets transportiert, wo in der heissen Zone die Kondensation und Koagulation stattfindet. In diesem Bereich bleiben die Partikel durch Absorption der Laserstrahlung fluessig, unterhalb der heissen Zone erstarren sie. Durch die Volumenaufweitung des Kegels nach unten und das seitliche Zustroemen von Argon nimmt die Partikelkonzentration von oben nach unten stark ab. Die Partikel werden auf einer Filtermembran abgeschieden und mit einem Rasterelektronenmikroskop auf Groesse, Form und Agglomerationsgrad untersucht. Neben dem Ziel der Nanopartikelerzeugung werden die zugrundeliegenden Prozesse Verdampfung, Kondensation und Koagulation sowohl experimentell als auch theoretisch detailliert untersucht.
Die Bildung neuer Partikel und ihr anschließendes Wachstum in der Troposphäre sind wichtige Prozesse, die die Zusammensetzung der Atmosphäre und den globalen Klimawandel beeinflussen. Nach der Entstehung der Nanopartikel durch Keimbildung wird ihr Wachstum von organischen Molekülen bestimmt. Zurzeit wird die Bildung der extrem geringflüchtigen Verbindungen, die für das Wachstum von Nanopartikeln benötigt werden, ausschließlich auf Basis von Gasphasenchemie diskutiert. Die Partikelembryonen selbst bieten jedoch eine einzigartige nanoskalige Umgebung, die chemische Reaktionen innerhalb der neu gebildeten kondensierten Phase beeinflussen können. Eine physikalisch-chemische Besonderheit von Nanometerpartikeln ist der zunehmende Innendruck (Laplace pressure). Da bindungsbildende chemische Reaktionen (z. B. Oligomerisierung) bei höheren Drücken begünstigt werden, gewinnen solche Reaktionen in kleinen Partikeln an Bedeutung. Daher könnten Partikelgrößen-abhängige chemische Reaktionen eine entscheidende Rolle im Lebenszyklus von atmosphärischen Aerosolen spielen, indem sie die Lücke zwischen der anfänglichen Bildung von Partikelembryonen und ihrem Wachstum in Größen schließen, in denen ihre Überlebenswahrscheinlichkeit größer wird und sie schließlich als Wolkenkondensationskeime dienen können. Obwohl motiviert durch atmosphärenchemische Fragestellungen, kann das erarbeitete Wissen über größenabhängige chemische Reaktionen auch zu einem besseren Verständnis von Gleichgewichtsreaktionen in organischen Nanoreaktoren führen sowie - in einem sehr allgemeinen Sinn - ebenfalls Beiträge zum Verständnis der Entstehung des Lebens liefern.
Aufklaerung der Beeinflussung von Transport- und Haftvorgaengen beim Zusatz polymerer Filterhilfsmittel. Optimierung derartiger Zusaetze zur Truebstoffentfernung mit Hilfe der Flockungsfiltration.
Die Energieumwandlung aus photovoltaischen Zellen ist eine seit vielen Jahrzehnten bekannte und hoch entwickelte Technologie. Für eine nachhaltige Energiegewinnung ist es allerdings notwendig Solarzellen kostengünstiger zu produzieren um mit fossilen Brennstoffen konkurrieren zu können. Die bei weitem am weitesten verbreitete und höchsten entwickelte Technologie basiert auf der Verwendung von Siliziumwafern. Diese Technologie ist aber aufgrund des hohen Preises von hochreinem Silizium sehr teuer. Anstatt der Verwendung relativ dicker Siliziumwafer können die Materialkosten mit Hilfe von Dünnschichttechnologien, oder Solarzellen der 'zweiten Generation' reduziert werden. Die Effizienz von Solarzellen kann durch Technologien der so genannten 'dritten Generation' signifikant verbessert werden. Sowohl für Solarzellen der zweiten bzw. der dritten Generation können höhere Absorption aus dem Sonnenlicht zu höheren Effizienzen führen. Plasmonische und photonische Effekte sind viel versprechende Methoden um höhere Effizienzen zu erzielen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es plasmonische Strukturen mittels des physikalisch-chemischen Prozesses 'Substrat Induzierte Koagulation' (engl. Substrate Induced Coagulation - SIC) herzustellen. Bis zum heutigen Tag behandelte kein Forschungsprojekt, diese physikalisch-chemische Methode. Substrat Induziere Koagulation hat ein herausragendes Potential Strukturen einerseits billiger und andererseits unter Wahrung der ursprünglichen Form, oder durch die Möglichkeit Partikel mit anderen, kleineren zu beschichten ('core-shell'-particles), eine Vielzahl an plasmonischen Strukturen herzustellen. Die geplante Grundlagenforschung über diesen Weg sollte es möglich machen, die Wechselwirkung zwischen Licht und plasmonischen Nanostrukturen besser zu verstehen und die Effizienz von Dünnschichtsolarzellen (a-Silizium) zu erhöhen.
Im Rahmen von Untersuchungen über Feinstaub und der Bestimmung der Koagulation wurde ein Messgerät (CMD, Aerosol Koagulationskoeffizienten Messgerät / Coagulation Measurement Device) entwickelt, das zur mobilen Messung der Koagulationskoeffizienten von Nanoaerosolen dient. Die Messung der Koagulationskoeffizienten ist von fundamentaler Bedeutung für das zeitliche Verhalten von Nanoaerosolen. Diese sind insbesondere für ein stehendes oder sich langsam ausbreitendes Aerosol gekoppelt mit u.s.w.
Laseranwendungen Die Anwendungen von Lasern zu medizinischen und vermehrt auch zu kosmetischen Zwecken beruhen vor allem auf der starken Bündelung und der hohen Leistungsdichte des Laserstrahls. Die meisten Laseranwendungen in der Medizin haben das Abtragen, Abschneiden oder Verdampfen von Gewebe oder die Koagulation (Gerinnung) von Körperflüssigkeiten zum Ziel. Beispiele für die Anwendung von Lasern zu kosmetischen Zwecken sind die dauerhafte Haarentfernung (Epilation) , die Entfernung von Narben oder Gefäßveränderungen wie den sogenannten "Besenreisern", die Fettreduktion ("Body-shaping") sowie die Entfernung von Tätowierungen . Die Anwendungen von Lasern zu medizinischen und vermehrt auch zu kosmetischen Zwecken beruhen vor allem auf der starken Bündelung und der hohen Leistungsdichte des Laserstrahls. Außerdem wird in der Medizin die Möglichkeit genutzt, den Strahl über flexible Lichtleiter direkt an den Ort der Behandlung zu bringen. Dadurch werden endoskopische Eingriffe mit Hilfe von Lasern möglich. Darunter versteht man operative Eingriffe im Körperinneren, bei denen die Instrumente durch kleine Öffnungen eingeführt werden, ohne dass große chirurgische Schnitte nötig sind. Welcher Lasertyp zum Einsatz kommt, richtet sich unter anderem nach der benötigten Leistungsdichte, der gewünschten Eindringtiefe im Gewebe oder danach, welche Wellenlänge von dem zu behandelnden Gewebetyp am besten absorbiert wird. Wirkungen Die biologischen Wirkungen von Laserstrahlung entsprechen im Prinzip den Wirkungen normaler optischer Strahlung . Sie hängen stark von der Wellenlänge der Strahlung und von der Bestrahlungsstärke und -Dauer ab. Der Wellenlängenbereich der Laserstrahlung erstreckt sich von etwa 10.000 Nanometer ( nm ) bis etwa 200 nm , das heißt, vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis zur kurzwelligen ultravioletten ( UV -) Strahlung . Die speziellen gesundheitlichen Gefahren von Laserstrahlung begründen sich vor allem in der sehr hohen Leistungsdichte und der starken Bündelung des Laserstrahls. Da die Eindringtiefe optischer Strahlung in biologisches Gewebe relativ gering ist, sind beim Menschen vor allem die Haut und die Augen betroffen. Für die Augen bestehen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften besondere Gefahren. Qualifikation des Anwenders Die Auswahl der für eine bestimmte Anwendung geeigneten Strahlenquelle , die Festlegung wesentlicher Parameter wie Energiedichte, Wellenlänge , Strahldurchmesser und Impulsdauer erfordern Fachkenntnis und Erfahrung. Diese Parameter bestimmen maßgeblich die Eindringtiefe im Gewebe, die Haupt-Zielstrukturen, die biologischen Wirkungen sowie mögliche Risiken und Nebenwirkungen. Zudem muss der Anwender in der Lage sein, Umstände auf Seiten des Kunden oder Patienten zu erkennen, die die gewünschte Anwendung ausschließen oder nur unter strenger Nutzen- Risiko -Abwägung zulassen (Kontraindikation). Schutz der Augen notwendig Trifft die Strahlung ins Auge, sind Schäden sowohl an der Iris als auch an der Netzhaut möglich. Besonders bei Behandlungen im Gesicht muss unbedingt auf Augenschutz geachtet werden. Gesetzliche Regelungen Medizinprodukte unterliegen dem Medizinproduktegesetz ( MPG ). Das MPG regelt in Verbindung mit der Medizinprodukte-Betreiberverordnung (MPBetreibV) unter anderem die Anforderungen an Medizinprodukte sowie an das Errichten, Betreiben und Anwenden von Medizinprodukten. Geräte, die vom Hersteller nicht als Medizinprodukt, sondern als Verbraucherprodukt angemeldet wurden, unterliegen dem Produktsicherheitsgesetz ( ProdSG ). Die Bestimmungen des Arbeitsschutzes sind in der Verordnung zum Schutz vor künstlicher optischer Strahlung ( OStrV ) geregelt. Weitere Informationen bieten Unfallverhütungsvorschriften der Unfallversicherungen. Die seit dem 31.12.2020 geltende Verordnung zum Schutz vor schädlichen Wirkungen nichtionisierender Strahlung bei der Anwendung am Menschen ( NiSV ) regelt unter anderem die Anforderungen an den Betrieb von Lasergeräten und anderen starken optischen Strahlungsquellen, wenn sie zu kosmetischen und anderen nicht-medizinischen Zwecken eingesetzt werden. Einige Anwendungen wie die Entfernung von Tätowierungen mit Lasern dürfen nur noch von approbierten Ärztinnen und Ärzten mit entsprechender Fort- oder Weiterbildung durchgeführt werden. Für Anwendungen, die nicht unter Arztvorbehalt stehen, müssen ab dem 31.12.2022 Anforderungen an die Fachkunde erfüllt und nachgewiesen werden. Weitere Informationen zur NiSV und den Anforderungen an die Fachkunde finden Sie auf den Seiten des Bundesumweltministeriums. Stand: 07.10.2025
Im Rahmen des Projektes soll ein neuartiges Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM) beschafft werden, das besonders gute Analysemöglichkeiten für Nanopartikel eröffnet und eine ideale Ergänzung zu den bestehenden Messsystemen am LGL wäre. Im Bereich der Lebensmittelsicherheit soll die grundsätzlich neue Möglichkeit des FE-REM dazu genutzt werden, Partikel morphologisch und chemisch eindeutig zu charakterisieren. Hierzu sollen die im Rahmen des bereits gestarteten Projektes 'LENA - Lebensmittelsicherheit und Nanotechnologie' gewonnenen Partikelfraktionen (z.B. aus Nahrungsergänzungsmitteln oder aus der Oberflächenbeschichtung von Verpackungsmaterial) weitergehend untersucht werden. Darüber hinaus soll getestet werden, ob diese produktbezogenen Nanopartikel in Simulanzlebensmitteln detektierbar sind. Ziel ist es, die Grundlagen für die Charakterisierung von Partikeln in Lebensmitteln zu schaffen, die aufgrund ihrer komplexen Matrixstruktur einer Analytik nur extrem schwer zugänglich sind. Im Bereich umweltbezogener Fragestellungen stellt das FE-REM gleichfalls eine unverzichtbare Ergänzung dar, um gezielter Informationen zur Gestalt und zur chemischen Zusammensetzung der Nanopartikel zu erhalten, die z.B. aus verbrauchernahen Produkten wie Sprays freigesetzt werden. Zudem ist vorgesehen, die Kenntnisse zum Umweltaerosol zu vertiefen, indem in Luftstaubproben die Struktur der vorliegenden Nanopartikel quellenbezogen untersucht wird. Zu diesem Zweck sollen Proben aus unterschiedlichen Bereichen, wie der Außenluft, aus Innenräumen und an nanobezogenen Arbeitsplätzen auf das Vorliegen von Partikeln untersucht werden. Außerdem soll geprüft werden, wie und wie schnell sich Nanopartikel im Aerosol verändern, d.h. in wie weit Koagulations- und Agglomerartionsphänomene die Zusammensetzung des Aerosols verändern.
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