Sie nennen ihn „Artificial Chemist“: Wissenschaftler der North Carolina State University und der University at Buffalo haben eine künstliche Intelligenz (KI) entwickelt, die autonom ermittelt, welche Reaktionen mit welchen Ausgangsstoffen nötig sind, um Materialien mit spezifischen gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Wie zielsicher das System arbeitet, hat sich nun in einem Proof-of-Concept-Experiment gezeigt. Die KI sollte möglichst schnell die idealen Quantenpunkte für bestimmte Farben in LED-Displays finden. Quantenpunkte sind Nanokristalle, die etwa in TV-Bildschirmen Licht abstrahlen. Für jede Farbe benötigte das System höchstens 15 Minuten. Ein Erfolg, der die Forscher anspornt: Künftig soll der Artificial Chemist bei der Entwicklung weiterer Materialien, die flüssige Ausgangsstoffe wie Metall- und Metalloxid-Nanopartikel enthalten, zum Einsatz kommen.

Antworten auf ungelöste Fragen finden – das ist seit je Lisa Kalteneggers Antrieb. Die 42-jährige Astrophysikerin untersucht Exoplaneten, die viele Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Ihre Forschung hat die gebürtige Salzburgerin weit gebracht: Nach dem Studium arbeitete sie bei der Europäischen Weltraumagentur ESA, wechselte nach Harvard, leitete eine Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Astronomie und anschließend ein Institut an der Cornell University in Ithaca, New York, wo sie bis heute forscht. Zwischendurch schrieb sie ein Buch („Sind wir allein im Universum?“). Der Asteroid „Kaltenegger 3477“ wurde übrigens nach ihr benannt.

Kaltenegger sucht nach fremden Planeten, um den eigenen besser zu verstehen. „Erdähnliche Planeten, die sich in anderen Entwicklungsstadien befinden, zeigen uns, wie sich unsere Erde entwickelt hat und verändern wird“, sagt sie. Um die Bedingungen auf fremden Planeten zu erforschen, analysiert Kaltenegger den Zusammenstoß von Sternenlicht und Atmosphäre. Sternenlicht wird in der Planetenatmosphäre gefiltert, wenn dort chemische Elemente wie Sauer- oder Wasserstoff existieren. „Dem Licht, das im Teleskop ankommt, fehlt es dann an ganz spezifischer Energie.“ Ein Beweis, dass Gase in der Atmosphäre existieren – und wir bald Leben auf fernen Planeten aufspüren können.

Körperzellen kommunizieren ständig miteinander, indem sie chemische Signale versenden, beispielsweise indem sie Stickstoffmonoxid ausstoßen. Sind die Signalwege gestört, kann das für den Körper negative Folgen haben, etwa Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Muskel- und Netzhautdystrophien. Spezielle Nanokapseln könnten künftig eine Vermittlerrolle zwischen den Zellen übernehmen. Ein Forscherteam am Departement Chemie der Universität Basel und am Nationalen Forschungsschwerpunkt Molecular Systems Engineering hat zwei Kapseltypen entwickelt, die mit jeweils unterschiedlichen Enzymen beladen waren, umhüllt von Polymeren. Die Forscher ließen die winzigen Behälter in Zellen eindringen, wo sie sich in die Signalwege einklinkten. Die beiden Typen arbeiteten dabei zusammen: Die erste Kapsel produzierte Stickstoffmonoxid, das die zweite Kapsel als natürliches Signal aufnahm und weiterverarbeitete. Durch diese Kaskadenreaktion wurde der Signalweg zwischen den Zellen unterstützt – und deren Kommunikation verbessert.

Solarzellen aus Perowskit gelten als besonders leistungsfähig. Scheint die Sonne, bewegen sich in dem Mineral Ionen, Elektronen und Löcher, die von Elektronen hinterlassen werden. Diesen „Tanz“ haben Forscher am Max-Planck-Institut für Polymerforschung analysiert. Ergebnis: Die Löcher bewegen sich langsamer als gedacht. Diese Erkenntnis könnte helfen, den Wirkungsgrad der Zellen zu erhöhen.

Ja, wenn es gelingen sollte, künstliche Arterien zu drucken, die vollständig kompatibel mit dem menschlichen Körper sind. Ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung ist meinem Team geglückt: Wir haben eine additiv gefertigte Arterie entwickelt, die aus sogenannten piezoelektrischen Materialien besteht. Diese biokompatiblen, flexiblen Verbundwerkstoffe geben bei Schwankungen des Blutdrucks einen elektrischen Impuls ab. Durch diese Signale kann der Blutdruck in Echtzeit überwacht werden. Auch die zylinderförmige Baustruktur mit dem sinusförmigen Netzwerk spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von Herzleiden: Dank ihrer komplexen Geometrie kann die Arterie unregelmäßige Bewegungen erkennen, die auf einen Verschluss im Frühstadium hinweisen – so können Ärzte eingreifen, bevor es zu einem gefährlichen Verschluss kommt.

Xudong Wang ist Professor an der University of Wisconsin–Madison und Co-Autor einer Studie über die Einsatzmöglichkeiten 3D-gedruckter Arterien.

Fotos: Getty Images (2), Jason Koski / Cornell University, Xudong Wang

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