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Robert‐Wichard‐Pohl‐Preis: Der Gravitationswellendetektor GEO 600: Das hochempfindliche Michelson‐Interferometer GEO 600 basiert auf modernster Lasertechnologie – im Jahr 2000 soll es die ersten Signale empfangen
Authors: Welling Herbert , Zawischa Ivo
Published: February 2013

Gravitationswellen werden durch beschleunigte Massen im Universum erzeugt. Wenn wir erst in der Lage sind, sie zu empfangen, werden sie uns Unbekanntes über Supernova‐Implosionen, den Aufbau von Neutronensternen und über Doppelsternsysteme berichten. Weltweit stehen mehrere Forscherteams kurz vor der Inbetriebnahme hochempfindlicher Gravitationswellendetektoren. Einer dieser Detektoren ist das deutsch‐britische Michelson‐Interferometer GEO 600, welches südlich von Hannover durch Forscher des Max‐Planck‐Instituts für Quantenoptik und der Universität Hannover in Zusammenarbeit mit den Universitäten Glasgow und Cardiff, dem Albert‐Einstein‐Institut Potsdam und dem Laser Zentrum Hannover erstellt wird (Abb. 1, [1]). Die geringe Größe der erwarteten Signale erfordert eine extrem hohe Empfindlichkeit. GEO 600 soll bei einer Armlänge von je zweimal 600 m nur durch die grundlegenden physikalischen Grenzen der Interferometrie limitiert sein. Um dieses zu erreichen, müssen höchste Anforderungen an die Konstruktion des Interferometers und des Lasers, dessen Licht darin zur Interferenz gebracht wird, erfüllt werden.
Quantenphysik: Quantenkorrelationen und die Bellschen Ungleichungen: Von der Grundlagenforschung zur technologischen Anwendung
Authors: Alber Gernot , Freyberger Matthias
Published: February 2013

Seit der Geburt der modernen Quantenmechanik macht jede Generation von Physikern aufs Neue eine befremdende und faszinierende Erfahrung: Ihre an der klassischen, makroskopischen Erfahrungswelt geschulte Intuition prallt auf erstaunliche Voraussagen quantenphysikalischer Gesetzmäßigkeiten. Im Zentrum dieses Staunens stehen die nichtlokalen Korrelationen quantenmechanischer Teilchen. Keine klassische Theorie scheint in der Lage zu sein, diese Korrelationen korrekt zu modellieren. Woran liegt das und wo stehen wir heute am Ende des Jahrhunderts der Quantenmechanik?
Oberflächenphysik: Strukturbildung in dünnen Filmen: Wie perlt eine Flüssigkeit von einer Unterlage ab?
Authors: Jacobs Karin , Herminghaus Stephan
Published: February 2013

Dünne Filme auf festen Oberflächen haben schon lange ihren Platz in unserem Leben, z.B. als Tränenfilm auf der Hornhaut des Auges, ohne den Sie diese Zeilen nicht lesen könnten, als Schmierfilm auf dem Kolben eines Verbrennungsmotors und in den Festplatten unserer Computer, als Ölfilm in der Pfanne, der das Anbrennen verhindert, oder als Lackschicht auf Gegenständen, die vor direktem Umweltkontakt geschützt (z. B. Rostschutz) oder gefärbt werden sollen (z. B. Nagellack). In all diesen Beispielen, ob biologisch oder technologisch, ist es wichtig, daß die Flüssigkeit die Unterlage gut benetzt, damit sich ein homogener Film ausbilden kann. Was aber, wenn dies nicht gelingt? Benetzt beispielsweise der Lack die Unterlage nicht, so perlt er ab und bildet einzelne Tropfen, bevor die Schicht eine Chance hat auszuhärten (Abb. 1).
Solitonen in Glasfasern: Von Bugwellen, Überflutungen und Telefonleitungen
Authors: Mitschke Fedor , Böhm Michael
Published: February 2013

Die Revolution in der Telekommunikation erfordert auch den Einsatz neuer physikalischer Prinzipien; optische Verfahren sind dabei von immer größerer Bedeutung. Sich selbst stabilisierende Lichtpulse in Glasfasern, so genannte Solitonen, werden zwar seit einer Reihe von Jahren von Physikern untersucht, aber erst neuerdings kann eine Reihe subtiler Probleme mit raffinierten Ideen bewältigt werden. Damit sind reale Anwendungen von Solitonen in greifbare Nähe gerückt, und eine intrinsisch nichtlineare physikalische Erscheinung könnte bald großtechnische Bedeutung erlangen.
Atomlaser: Aus Bose‐Einstein‐Kondensaten lassen sich kohärente Materiewellen auskoppeln
Authors: Esslinger Tilman , Bloch Immanuel , Hänsch Theodor W.
Published: February 2013

Mit Atomlasern gelingt es, kohärente Materiewellenstrahlen zu erzeugen, die ähnliche Eigenschaften besitzen, wie optische Laserstrahlen. Diese erstaunliche Kontrolle über die Bewegung von Atomen ist durch die Bose‐Einstein‐Kondensation möglich, wobei nahe am absoluten Nullpunkt die Quantennatur von Atomgasen deutlich zu Tage tritt.
Von Dämonen und Elektronen: In Quantenratschen fließen Elektronen hoher und niedriger Energie in entgegengesetzte Richtungen
Authors: Linke Heiner
Published: February 2013

Vor mehr als 130 Jahren formulierte James Clerk Maxwell eine Herausforderung an die Wärmelehre: Konnte ein mikroskopisches Wesen, das fähig ist, einzelne Moleküle nach deren Energie zu sortieren, die Entropie eines Gases verringern, ohne anderweitig dafür zu bezahlen? Der Zweite Hauptsatz der Wärmelehre drückt aus, dass eine solcher Maxwellscher Dämon zum Scheitern verurteilt ist. Kürzlich hat sich nun gezeigt, dass Quantenratschen für Elektronen ähnliche Fähigkeiten haben wie sie dem Dämon abverlangt werden, aber ohne den Zweiten Hauptsatz zu verletzen.
Physics and human rights: Reflections on the past and the present
Authors: Lebowitz Joel L.
Published: February 2013

Max von Laue was exceptional among leading scientists in his behavior during the Nazi period 1933–1945. „While many respectable scientists yielded to political pressure… Laue was neither to be threatened nor bribed into subservience…Laue was a great patriot… but [his sense of justice] was even stronger…. To all of us minor figures the very existence of a MAN of Laue's statue and bearing was an enormous comfort”︁ [1].
Max‐Planck‐Medaille: Von den Pionen zu den fundamentalen Parametern der Quantenchromodynamik: Ein Fall für die Gittereichtheorie
Authors: Lüscher Martin
Published: February 2013

In der Quantenchromodynamik (der Eichfeldtheorie der starken Kräfte) ist die Form der Feldgleichungen im Wesentlichen durch die Eichsymmetrie bestimmt. Man hat es also mit einer sehr eleganten Theorie zu tun, in der die Eichkopplung und die Quarkmassen die einzigen freien Parameter sind. Die physikalischen Eigenschaften der Pionen zum Beispiel sind im Prinzip berechenbare Funktionen dieser Parameter, obwohl die Entwicklung nach Feynman‐Diagrammen und andere etablierte Berechnungsverfahren in diesem Fall nicht anwendbar sind. Vielmehr ist dies die Domäne der Gittereichtheorie, wo neue theoretische Ansätze in Verbindung mit numerischen Simulationen inzwischen zu präzisen Ergebnissen führen.
Robert‐Wichard‐Pohl‐Preis: Ultraschneller Ladungstransfer und lokalisierter Bindungsbruch: Die Kopplung von Molekülen an Oberflächen lässt sich durch die gezielte Anregung der Elektronen im Molekül charakterisieren und beeinflussen
Authors: Menzel Dietrich
Published: February 2013

Die chemische Physik der Oberflächen ist ein wichtiges Teilgebiet der Oberflächenphysik. Ihr Ziel ist ein tiefgehendes Verständnis der Veränderungen, die in Atomen und Molekülen durch deren Bindung an eine Oberfläche verursacht werden. Diese Veränderungen sind die Basis von so wichtigen Effekten wie der heterogenen Katalyse, Schichtwachstum, Reibung und Schmierung, Halbleiterstrukturierung und vielen anderen. In diesem Artikel beschreibe ich zwei neue Experimente, in denen wir die elektronische Anregung von Molekülen auf Oberflächen dazu ausnutzen, die chemischen Bindungskräfte zu studieren und zu manipulieren. Durch Anregung und Messung mit schmalbandiger Synchrotronstrahlung können wir nun chemische Reaktionen gezielt steuern.
Sport: Physikalische Aspekte des Golfspiels: Strömungsphysik und klassische Mechanik helfen beim Design von Bällen und Schlägern
Authors: Appel Helmut
Published: February 2013

Die Anhänger des Golfspiels sagen gern, ihre Sportart sei die reizvollste, die am einfachsten aussieht und doch am schwersten zu spielen ist. Sicher ist, dass Golf eine Individualsportart ist, die eine Reihe physikalischer Parameter birgt und ausführlich aus dieser Sicht (aber auch aus der Sicht der Biomechanik und der Psyche) beschrieben worden ist. Eingehende Untersuchungen dienen der Formgebung der verwendeten Geräte, d. h. der Bälle und der Schläger. In neuerer Zeit sind auch die dafür verwendeten Materialien mit merklichem Aufwand auf ihre Eignung hin überprüft und Neuentwicklungen auf den Markt gebracht worden. Damit wird immer wieder das Versprechen auf ein noch erfolgreicheres und angenehmeres Spiel verbunden. Von entscheidender Bedeutung für Gewinn bringende Schläge ist jedoch der individuell praktizierte Golfschwung. Ihn zu optimieren ist das Ziel biomechanischer Studien.
Optische Technologien „made in Germany”︁+: Eine Jahrhunderttechnologie braucht Physiker
Authors: Heybrock Eckhard , Brinkmann Uwe
Published: February 2013

Optische Technologien erobern die Welt. Digitalfotografie, Scanner an der Ladenkasse, Musik von der CD, optische Biochip‐Lesegeräte, berührungslose Messtechnik in der Produktion, Laser für Materialbearbeitung und Mikrostrukturierung, in der Grafik‐ und Druckindustrie etc. ‐ Photonen sind überall im Spiel, meistens in Verbindung mit Elektronik. Das 21. Jahrhundert „als dasjenige des Photons”︁ zu bezeichnen ist eine hübsche Übertreibung, die aber klarmacht, worum es geht: die Optischen Technologien als allumfassende und für die Industriegesellschaft notwendige Schrittmachertechnologien zu begreifen.
Physikalische Fragestellungen aus der Zellbiologie: Physiker untersuchen steife Biopolymere und modellieren molekulare Motoren
Authors: Frey Erwin
Published: February 2013

„What is Life?”︁ So lautet der Titel eines Buches von Erwin Schrödinger, dessen erste Auflage im Jahr 1944 erschien. Es ist ein kühner Versuch, einige der Wunder des Lebens im Rahmen der Physik, insbesondere der Statistischen Mechanik, zu verstehen. Seit diesem visionären Buch haben wir eine revolutionäre Entwicklung in der Molekularbiologie gesehen. Mit faszinierenden neuen physikalischen Techniken wie der Einzelmolekülspektroskopie lassen sich biologische Systeme inzwischen quantitativ analysieren. Ziel dieses Artikel ist es, typische Beispiele physikalischer Fragestellungen in der Zellbiologie zu erläutern. Man kann hoffen, mit einem interdisziplinären Ansatz einer Beantwortung von Schrödingers fundamentaler Frage etwas näher zu kommen.
Erzeugung und Anwendung ultrakurzer Lichtpulse: Medizin und Metrologie profitieren von Femtosekunden‐Laserpulsen
Authors: Morgner Uwe , Ell Richard , Kärtner Franz X. , Drexler Wolfgang
Published: February 2013

Neue Entwicklungen in der Lasertechnik ermöglichen es heute, Lichtpulse mit einer Dauer von nur 5 Femtosekunden direkt aus einem Laser zu erzeugen (1 fs = 10−15 s). Damit dringt man zu Zeiten vor, in denen während der Dauer des Impulses weniger als zwei Schwingungen der elektrischen Feldamplitude stattfinden. Das eröffnet einerseits ganz neue Experimente in der nichtlinearen Optik und der Metrologie, andererseits ermöglicht die mit diesen Impulsen verbundene Bandbreite optische Kohärenz‐Tomographie mit bisher unerreichter Auflösung.
Ultrakurzzeitphysik: Laser‐optimierte Femtochemie: Quantenkontrolle durch lernfähige Femtosekunden‐Laser
Authors: Brixner Tobias , Gerber Gustav
Published: February 2013

Mithilfe der Femtosekunden‐Spektroskopie lassen sich atomare Bewegungen in Molekülen zeitaufgelöst beobachten. Seit kurzem ist es mit speziell geformten Femtosekunden‐Laserpulsen sogar möglich, über diese bloße Beobachtung hinauszugehen, „von außen”︁ steuernd einzugreifen und den Ablauf molekularer Dynamik „mikroskopisch”︁ gezielt zu beeinflussen. Durch den Einsatz lernender Algorithmen mit experimenteller Rückkopplung lassen sich komplexe Licht‐Materie‐Wechselwirkungen in vielen Anwendungsbereichen optimieren. In diesem Artikel wird schwerpunktmäßig die Quantenkontrolle der Femtochemie, also die Steuerung chemischer Prozesse auf einer Femtosekunden‐Zeitskala, diskutiert.
Magnetismus: Dauermagnete aus Hochtemperatur‐Supraleitern: Anwendungen für Lager, Motoren oder Transportsysteme sind in Sicht
Authors: Fuchs Günter , Krabbes Gernot
Published: February 2013

Dauermagnete sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Die modernen Neodym‐Eisen‐Bor‐Magnete (Nd‐Fe‐B) besitzen ein Remanenzfeld von ca. 1,5 T. Seit kurzem lassen sich viel stärkere Dauermagnete aus supraleitendem Massivmaterial herstellen. Dabei handelt es sich um den bekannten Hochtemperatur‐Supraleiter Yttrium‐Barium‐Kupfer‐Oxid (YBa2Cu3O7‐x kurz YBCO), dessen Übergangs‐temperatur zur Supraleitung bei 91 K liegt. Mit solchem YBCO‐Massivmaterial wurden Remanenzfelder von 14,35 T bei 22 K erreicht. Damit sind die supraleitenden Dauermagnete bei tiefen Temperaturen den üblichen ferrromagnetischen weit überlegen. Für viele Anwendungen sind YBCO‐Magnete geradezu prädestiniert: zum Beispiel für berührungsfreie, selbststabilisierende Magnetlager, supraleitende Motoren oder auch für lineare Transportsysteme.
Der Kopenhagener Geist: Ansätze zu einer Sozialgeschichte der Quantentheorie
Authors: Eisner Werner
Published: February 2013

In den 20er Jahren des vorigen Jahrhunderts gelang der Durchbruch zu einer der bedeutendsten wissenschaftlichen Leistungen der Neuzeit, zur Quantenmechanik. In diesen wenigen Jahren – die Hauptperiode geht von 1924 bis 1927 – ist eine ungeheuere Intensität des Forschens und Lernens zu beobachten. Die damalige Physik brachte nicht nur revolutionäre neue Erkenntnisse hervor, sondern auch eine neuartige Art und Weise des Zusammenwirkens der Forscher. Im Folgenden wird der Schwerpunkt auf die Darlegung dieser veränderten Arbeitsweise der Wissenschaftler gelegt, die den sozialen und forschungsorganisatorischen Nährboden bildete, aus dem die Quantentheorie erwachsen konnte.
Die kosmologische Inflation: Hat sich das Universum kurz nach dem Urknall explosionsartig aufgebläht?
Authors: Bartelmann Matthias
Published: February 2013

Das kosmologische Standardmodell, demzufolge das Universum in einem heißen Urknall entstand, beschreibt den beobachtbaren Kosmos mit beeindruckendem Erfolg. Es führt aber auf das ernste Problem, dass es sehr präzise eingestellte Anfangsbedingungen fordern muss, ohne deren Ursprung erklären zu können. Das Modell der kosmologischen Inflation versucht, diese Schwierigkeit zu lösen, indem es eine Entwicklungsphase fordert, in der das Universum beschleunigt expandierte. Dieses Modell ersetzt nicht das Urknallmodell, sondern ergänzt es. Die inflationäre Kosmologie behebt die Schwierigkeiten des Urknallmodells auf zwanglose Weise, führt aber als Preis dafür ein unbekanntes Skalarfeld ein, dessen Eigenschaften sie postulieren muss. Sie stellt eine Reihe von Vorhersagen auf, die in naher Zukunft geprüft werden können.
Brennendes Eis: Methanhydrat — Energiequelle der Zukunft oder Gefahr fürs Klima?
Authors: Gutt Christian , Press Werner , Bohrmann Gerhard , Greinert Jens , Hüller Alfred
Published: February 2013

Am Meeresgrund und vereinzelt in Dauerfrostböden liegt eine schier unerschöpfliche Energiequelle verborgen: Methanhydrat — eine Einschlussverbindung aus Wasser und Methan, in der das Methangas in Eiskäfigen eingeschlossen wird. Makroskopisch nimmt Methanhydrat eine eisähnliche Gestalt an. In reiner Form ist es schneeweiß und zersetzt sich bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck. Dabei wird Methangas frei, dessen Menge ausreicht, um eine dauerhafte Flamme bis zur vollständigen Zersetzung eines Gashydratbrockens zu erzeugen — daher rührt auch der Name „Brennendes Eis”︁. Die mikroskopische Struktur und Dynamik von Methanhydrat waren bislang noch weitgehend unerforscht. Neutronenstreuexperimente ergaben jetzt erste Einsichten.
Das Very Large Telescope: Europas scharfes Auge für den Blick in die Vergangenheit des Kosmos
Authors: Appenzeller Immo
Published: February 2013

Wegen der großen Entfernungen ihrer Forschungsobjekte sind die Astronomen in besonderem Maße auf aufwändige technische Hilfsmittel angewiesen. Eine zentrale Rolle spielen dabei große Teleskope, die die elektromagnetischen Wellen aus dem Weltraum sammeln und abbilden. Fortschritte in der Teleskoptechnologie waren daher stets Meilensteine in der Geschichte der Astronomie und hatten immer wichtige neue wissenschaftliche Erkenntnisse zur Folge. Fundamentale neue Ergebnisse lässt auch die neue Generation optischer Großteleskope mit rechnergesteuerten, aktiven optischen Komponenten erwarten, die in den letzten Jahren entwickelt wurde und die zur Zeit den Betrieb aufnimmt. Gegenüber konventionellen Teleskopen erreichen diese neuen Instrumente nicht nur eine wesentlich höhere Lichtsammelleistung, sondern insbesondere auch eine bessere Bildqualität. Das leistungsfähigste dieser neuen Großgeräte ist das Very Large Telescope, das von neun europäischen Ländern gemeinsam in der chilenischen Atacama‐Wüste gebaut wird. Obwohl es erst in zwei bis drei Jahren voll fertiggestellt sein wird, hat es bereits im Teilbetrieb spektakuläre neue Daten zur astrophysikalischen Forschung beigetragen.
Energie: Energie für Gebäude — solare Technologien und Konzepte: Wie könnte ein Haus von morgen aussehen?
Authors: Luther Joachim , Wittwer Volker , Voss Karsten
Published: February 2013

30 Prozent unseres derzeitigen Endenergiebedarfs entsteht im Gebäudebereich, und zwar hauptsächlich in privaten Haushalten [1]. Zukunftsfähige Energiestrategien werden sich daher vor allem dieses Bereiches annehmen. Schon heute sind mit den verfügbaren Planungsmethoden und Technologien so genannte „Nullemissionshäuser”︁ in der Praxis umsetzbar, die aufs Jahr gerechnet mehr Energie produzieren als verbrauchen. Eine deutlich erhöhte Energieeffizienz bildet dabei die Basis für den umfassenden Einsatz solarer Energiekonversionsverfahren. Der folgende Beitrag konzentriert sich auf Neubauten im Wohnungs‐ und Bürobereich und stellt neue Konzepte, Technologien und Gebäudekomponenten vor.
Energie: Die Kraft‐Wärme‐Kopplung: Technik, Potenzial und Umweltwirkungen
Authors: Voß Alfred
Published: February 2013

Die Kraft‐Wärme‐Kopplung (KWK) steht seit einigen Monaten im Zentrum der energiepolitischen Diskussion. Im Zuge der Liberalisierung des deutschen Strommarktes sind die Strompreise spürbar gesunken und gefährden den wirtschaftlichen Betrieb einiger Kraft‐Wärme‐Kopplungsanlagen: KWK‐Anlagen mit Erzeugungskosten von 6 bis 12 Pf/kWh stehen Großhandelspreise von derzeit 4 bis 5 Pf/kWh frei Stadtnetz bzw. Betriebsgrenze gegenüber. Mit Verweis auf die höhere Energieeffizienz und die Vorteile der Kraft‐Wärme‐Kopplung für die Umwelt fordern SPD und Bündnis 90/Die Grünen, aber auch Betreiber der KWK‐Anlagen und ihre Interessenvertretungen Soforthilfe‐Programme zum Schutz bestehender Anlagen und langfristige staatliche Regelungen zum Ausbau der Kraft‐Wärme‐Kopplung.
„Das große Quantenei”︁: Zum 100. Geburtstag von Werner Heisenberg (1901‐1976)
Authors: Rechenberg Helmut
Published: February 2013

Zweifellos stellt die Quantentheorie den wichtigsten Fortschritt in der Physik des 20. Jahrhunderts dar, und niemand hatte an ihrer endgültigen Fassung und ihren fundamentalen Anwendungen und Erweiterungen einen größeren Anteil als Werner Heisenberg. „Heisenberg hat ein großes Quantenei gelegt”︁ (so Albert Einstein im September 1925) und er entwickelte sich dann zu einem, vielleicht dem zentralen Repräsentanten des Atomzeitalters.
Satisfaction with information provision in cancer patients and the moderating effect of Type D personality
Authors: Husson Olga , Denollet Johan , Oerlemans Simone , Mols Floortje
Published: February 2013

Objective

Optimal information provision is important in cancer survivorship, but satisfaction with this provision may depend upon individual differences in personality. We examined the effect of the personality traits negative affectivity and social inhibition, and their combined effect (Type D personality) on satisfaction with received information.

Methods

Four population‐based, cross‐sectional surveys were conducted. All individuals diagnosed with lymphoma, multiple myeloma, endometrial cancer or colorectal cancer (1998–2008) as registered in the Eindhoven Cancer Registry were eligible for participation. In total, 4446 patients received questionnaires including the EORTC QLQ‐INFO25 and the Type D personality scale (DS14); 69% responded (n = 3080).

Results

Nineteen percent of patients (n = 572) had a Type D personality. The perceived receipt of disease‐specific (mean 46 vs. 51), medical test (56 vs. 63) and treatment information (37 vs. 42) was significantly lower for Type D patients compared with non‐Type Ds as assessed with the EORTC QLQ‐INFO25 (scales 0–100; all ps < 0.01). Cancer patients with a Type D personality were less satisfied with the received information (49 vs. 58; p < 0.01) and found the received information less useful (55 vs. 61; p < 0.01) compared with non‐Type Ds. Multivariate linear regression analyses showed that Type D personality was independently associated with information about the disease (Beta = −0.09), medical tests (Beta = −0.12) and treatment (Beta = −0.08), and with satisfaction with information received (OR = 0.54; 95%CI = 0.44–0.66;all ps < 0.01).

Conclusions

This study showed that patients with a Type D personality perceived that they received less information and reported less satisfaction with the amount of received information as compared with non‐Type D patients. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.
A multistage analysis strategy for a clinical trial to assess successively more stringent criteria for a primary endpoint with a low event rate
Authors: Li Siying , Hussey Michael A. , Schwartz Todd A. , Koch Gary G.
Published: February 2013

This paper describes how a multistage analysis strategy for a clinical trial can assess a sequence of hypotheses that pertain to successively more stringent criteria for excess risk exclusion or superiority for a primary endpoint with a low event rate. The criteria for assessment can correspond to excess risk of an adverse event or to a guideline for sufficient efficacy as in the case of vaccine trials. The proposed strategy is implemented through a set of interim analyses, and success for one or more of the less stringent criteria at an interim analysis can be the basis for a regulatory submission, whereas the clinical trial continues to accumulate information to address the more stringent, but not futile, criteria. Simulations show that the proposed strategy is satisfactory for control of type I error, sufficient power, and potential success at interim analyses when the true relative risk is more favorable than assumed for the planned sample size. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.
Effects of Sr2+ or Sm3+ doping on electromagnetic and microwave absorption performance of LaMnO3
Authors: Zhang Shuyuan , Cao Quanxi , Zhang Maolin , Shi Xuefang
Published: February 2013

The perovskite structure La1−xSr(or Sm)xMnO3±δ (x = 0, 0.25) powders were successfully fabricated by the traditional solid state reaction method. The influences of Sr2+ or Sm3+ doping on the static and dynamic magnetic performance were investigated. The resonance phenomena could be attributed to natural resonance and exchange resonance. The substitution of Sr2+ or Sm3+ into La3+ could greatly influence the resonance frequency. Furthermore, the microwave absorption performance of LaMnO3 was improved after the incorporation of Sr2+ or Sm3+. It is obtained that Sr2+ doped LaMnO3 had superior performance compared with that of Sm3+ doped LaMnO3. The maximum reflection loss was −30.0 dB at 13.968 GHz with a thickness of 1.6 mm. The microwave absorption performance was attributed to both the dielectric and magnetic losses.
Oxygen diffusivity in silicon derived from dynamical X-ray diffraction
Authors: Will J. , Gröschel A. , Kot D. , Schubert M. A. , Bergmann C. , Steinrück H.-G. , Kissinger G. , Magerl A.
Published: February 2013

Thickness dependent Pendellösung oscillations are highly sensitive to strain fields from defects in a host crystal. Based on this, we present a novel technique to measure the precipitation kinetics of oxygen in silicon already at its early stage of clustering at high temperatures. At 900 °C, precipitates with a radius smaller than 4 nm and with a density of 1 ± 0.5 × 1013 1/cm3 were observed. The technique was calibrated by complementary scanning transmission electron microscope and energy dispersive X-ray measurements in the range of normal diffusivity yielding a diffusion constant of 1.7 ± 0.1×10−12cm2/s, which is close to the literature value of 2.074×10−12cm2/s. The measurements have been made with the characteristic Kα1-line of a high voltage tungsten X-ray tube at 59.31 keV, which provides the opportunity to illuminate through complex sample environments like high temperature scattering furnaces.
Diffusion enhancement in on/off ratchets
Authors: Chr. Germs W. , Roeling E. M. , van IJzendoorn L. J. , Janssen R. A. J. , Kemerink M.
Published: February 2013

We show a diffusion enhancement of suspended polystyrene particles in an electrical on/off ratchet. The enhancement can be described by a simple master equation model. Furthermore, we find that the diffusion enhancement can be described by a general curve whose shape is only determined by the asymmetry of the ratchet repeat unit. The scaling of this curve can be explained from an analytical expression valid for small off-times. Finally, we demonstrate how the master equation model can be used to find the driving parameters for optimal particle separation.
Interactions between Callitris above-ground biomass, species density and plant form in north-eastern New South Wales
Authors: Hunter John T.
Published: February 2013

Dense Callitris endlicheri (Parl.) F.M.Bailey (black cypress pine) and C. glaucophylla Joy Thomps. & L.A.S.Johnson (white cypress pine) stands are often viewed as problematic and thinning is often encouraged from a biodiversity perspective. In the present investigation, canonical correspondence analyses (CCAs) of 997 survey sites were undertaken within the public and private reserve network that contains a variety of above-ground biomass (AGB) of C. endlicheri and C. glaucophylla (as measured by diameter at breast height (DBH) and dispersion) and the evenness of the species distribution was undertaken. This was done to further dissect the effect of Callitris AGB on species density (richness per quadrat) of native and introduced species and on broad life-form groupings. Other landscape features such as altitude, physiography, drainage and soil depth were also included in analyses. C. endlicheri and C. glaucophylla grow in different biophysical locations in most instances and this was reflected in the results of the study. No level of AGB or clumping of C. endlicheri was found to affect species density of native or introduced taxa or the distribution of life-forms. Increasing AGB of C. glaucophylla had a positive effect on native species density. The species density of introduced taxa was also increased with an increase in C. glaucophylla AGB. The distribution of life-forms was significantly affected by an increase in Callitris AGB with a decrease in trees, shrubby taxa and hemi-parasites, although herbaceous species had a concomitant increase in number. There is no reason to thin dense Callitris stands to increase local species richness. However, because the distribution of life-form types is significantly affected by C. glaucophylla, there is a need to understand what is occurring in species replacements and what landscape mosaic of structural types is required for this species. It is likely that dense stands of Callitris are important, along with a variety of stand densities so as to maintain the highest regional diversity.
Ambient noise induces independent shifts in call frequency and amplitude within the Lombard effect in echolocating bats
Authors: Hage Steffen R. , Jiang Tinglei , Berquist Sean W. , Feng Jiang , Metzner Walter
Published: February 2013

The Lombard effect, an involuntary rise in call amplitude in response to masking ambient noise, represents one of the most efficient mechanisms to optimize signal-to-noise ratio. The Lombard effect occurs in birds and mammals, including humans, and is often associated with several other vocal changes, such as call frequency and duration. Most studies, however, have focused on noise-dependent changes in call amplitude. It is therefore still largely unknown how the adaptive changes in call amplitude relate to associated vocal changes such as frequency shifts, how the underlying mechanisms are linked, and if auditory feedback from the changing vocal output is needed. Here, we examined the Lombard effect and the associated changes in call frequency in a highly vocal mammal, echolocating horseshoe bats. We analyzed how bandpass-filtered noise (BFN; bandwidth 20 kHz) affected their echolocation behavior when BFN was centered on different frequencies within their hearing range. Call amplitudes increased only when BFN was centered on the dominant frequency component of the bats’ calls. In contrast, call frequencies increased for all but one BFN center frequency tested. Both amplitude and frequency rises were extremely fast and occurred in the first call uttered after noise onset, suggesting that no auditory feedback was required. The different effects that varying the BFN center frequency had on amplitude and frequency rises indicate different neural circuits and/or mechanisms underlying these changes.
SOD1 exhibits allosteric frustration to facilitate metal binding affinity
Authors: Das Atanu , Plotkin Steven S.
Published: February 2013

Superoxide dismutase–1 (SOD1) is a ubiquitous, Cu and Zn binding, free-radical defense enzyme whose misfolding and aggregation play a potential key role in amyotrophic lateral sclerosis, an invariably fatal neurodegenerative disease. Over 150 mutations in SOD1 have been identified with a familial form of the disease, but it is presently not clear what unifying features, if any, these mutants share to make them pathogenic. Here, we develop several unique computational assays for probing the thermo-mechanical properties of both ALS-associated and rationally designed SOD1 variants. Allosteric interaction-free energies between residues and metals are calculated, and a series of atomic force microscopy experiments are simulated with variable tether positions to quantify mechanical rigidity “fingerprints” for SOD1 variants. Mechanical fingerprinting studies of a series of C-terminally truncated mutants, along with an analysis of equilibrium dynamic fluctuations while varying native constraints, potential energy change upon mutation, frustratometer analysis, and analysis of the coupling between local frustration and metal binding interactions for a glycine scan of 90 residues together, reveal that the apo protein is internally frustrated, that these internal stresses are partially relieved by mutation but at the expense of metal-binding affinity, and that the frustration of a residue is directly related to its role in binding metals. This evidence points to apo SOD1 as a strained intermediate with “self-allostery” for high metal-binding affinity. Thus, the prerequisites for the function of SOD1 as an antioxidant compete with apo state thermo-mechanical stability, increasing the susceptibility of the protein to misfold in the apo state.
Nascent peptides that block protein synthesis in bacteria
Authors: Woolstenhulme Christopher J. , Parajuli Shankar , Healey David W. , Valverde Diana P. , Petersen E. Nicholas , Starosta Agata L. , Guydosh Nicholas R. , Johnson W. Evan , Wilson Daniel N. , Buskirk Allen R.
Published: February 2013

Significance

Ribosomes synthesize all proteins in living cells. There are limits, however, to which sequences they can make. We identified short motifs within translating proteins that inhibit their own synthesis. We developed in vitro methods to determine the molecular mechanism of ribosome stalling by these motifs. Some act by blocking the formation of peptide bonds; in a few of these cases, a translation factor, elongation factor P, alleviates stalling. Other motifs block release of the protein at stop codons. Stalling motifs occur less often than expected in bacterial proteins, suggesting that proteins have evolved to be synthesized efficiently.
Blastocyst complementation generates exogenic pancreas in vivo in apancreatic cloned pigs
Authors: Matsunari Hitomi , Nagashima Hiroshi , Watanabe Masahito , Umeyama Kazuhiro , Nakano Kazuaki , Nagaya Masaki , Kobayashi Toshihiro , Yamaguchi Tomoyuki , Sumazaki Ryo , Herzenberg Leonard A. , Nakauchi Hiromitsu
Published: February 2013

In the field of regenerative medicine, one of the ultimate goals is to generate functioning organs from pluripotent cells, such as ES cells or induced pluripotent stem cells (PSCs). We have recently generated functional pancreas and kidney from PSCs in pancreatogenesis- or nephrogenesis-disabled mice, providing proof of principle for organogenesis from PSCs in an embryo unable to form a specific organ. Key when applying the principles of in vivo generation to human organs is compensation for an empty developmental niche in large nonrodent mammals. Here, we show that the blastocyst complementation system can be applied in the pig using somatic cell cloning technology. Transgenic approaches permitted generation of porcine somatic cell cloned embryos with an apancreatic phenotype. Complementation of these embryos with allogenic blastomeres then created functioning pancreata in the vacant niches. These results clearly indicate that a missing organ can be generated from exogenous cells when functionally normal pluripotent cells chimerize a cloned dysorganogenetic embryo. The feasibility of blastocyst complementation using cloned porcine embryos allows experimentation toward the in vivo generation of functional organs from xenogenic PSCs in large animals.
QUAST: quality assessment tool for genome assemblies
Authors: Gurevich Alexey , Saveliev Vladislav , Vyahhi Nikolay , Tesler Glenn
Published: February 2013

Summary: Limitations of genome sequencing techniques have led to dozens of assembly algorithms, none of which is perfect. A number of methods for comparing assemblers have been developed, but none is yet a recognized benchmark. Further, most existing methods for comparing assemblies are only applicable to new assemblies of finished genomes; the problem of evaluating assemblies of previously unsequenced species has not been adequately considered. Here, we present QUAST—a quality assessment tool for evaluating and comparing genome assemblies. This tool improves on leading assembly comparison software with new ideas and quality metrics. QUAST can evaluate assemblies both with a reference genome, as well as without a reference. QUAST produces many reports, summary tables and plots to help scientists in their research and in their publications. In this study, we used QUAST to compare several genome assemblers on three datasets. QUAST tables and plots for all of them are available in the Supplementary Material, and interactive versions of these reports are on the QUAST website.

Availability:  http://bioinf.spbau.ru/quast

Contact:  gurevich@bioinf.spbau.ru

Supplementary information:  Supplementary data are available at Bioinformatics online.
The Microbial Rosetta Stone Central Agricultural Database: An Information Resource on High-Consequence Plant Pathogens
Authors: Kamenidou Sophia , Jain Ravi , Hari Kumar , Robertson James M. , Fletcher Jacqueline
Published: February 2013

Microbial pathogens of humans, animals, and plants can serve as potential agents of biowarfare, bioterrorism, and biocrime. Previously, the Microbial Rosetta Stone (MRS) Central database, an easily accessible informational resource tool, was developed to assist law enforcement personnel in the event of a disease investigation by providing key information on pathogens of concern. Although the database already contained information on a few high-profile plant pathogens, the coverage was insufficient considering the large number of plant pathogens that pose a threat, not only to agricultural production but also to natural plant resources such as forests and rangelands. In this project, 100 plant pathogens of high consequence were selected for study, existing literature on these agents was reviewed, and both the sources and key pathogen information provided therein were curated in the new Agricultural Database (AgDB), an accessory to the existing MRS Central Database. Chosen for inclusion in the MRS Central AgDB were plant pathogens having significant potential for damage to U.S. agricultural and natural ecosystems. The selection process included review of several previously developed plant-pathogen threat lists and recommendations from experts within the U.S. plant biosecurity community. Pathogen information was collected by searching a number of relevant literature databases, sites on the World Wide Web, and other resources. For inclusion in the MRS, the information was curated into categories: pathogen taxonomy, nomenclature synonyms, disease symptoms and geographic distribution, plant hosts, insect vectors, detection and diagnostic methods, laboratory and field protocols, sample collection, and epidemiology. The resulting AgDB enhances the MRS Central Database by summarizing and linking key information on high-threat plant diseases and their causal agents to relevant scientific literature and internet resources. The AgDB contains critical, key information on high-consequence plant pathogens, curated in a format that is readily accessible and easily searched. The resource enhances the existing MRS Central Database and provides law enforcement, forensic, and investigative personnel with an additional tool with which to respond to microbial emergencies, particularly those affecting the agricultural and environmental sectors.
Infection Risk and Critical Period for the Postharvest Control of Gray Mold (Botrytis cinerea) on Blueberry in Chile
Authors: Rivera S. A. , Zoffoli J. P. , Latorre B. A.
Published: February 2013

Gray mold (Botrytis cinerea) is a major disease of blueberries (Vaccinium spp.), which require more than 15 days of shipment at 0°C to reach international markets. The aims of this study were (i) to determine the relative susceptibility of the flowering and fruiting stages, (ii) to determine the critical blueberry growth stages for postharvest gray mold control, and (iii) to determine the infection risks on the basis of weather conditions. The epiphytic colonization of B. cinerea of flowers and fruits was demonstrated in blueberry ‘Brigitta’ and ‘Duke’ in Antuco and Virquenco. In inoculated flowers and fruits in humid chambers at 20°C, full bloom and mature fruit stages were the most susceptible stages. Fungicide applications at the mature fruit stage appeared as the most critical period for gray mold control in stored fruits. The algorithm proposed, which was based on >6 h of wetness between 14 and 25°C, allowed the estimation of the periods of B. cinerea infection risk. A significant correlation between the B. cinerea infection risk and gray mold incidence in stored fruits was obtained (r = 0.96, P < 0.0001). Therefore, this algorithm has the potential to optimize fungicide applications under field conditions, but field validation of this algorithm remains to be determined.
Zebra Chip Disease and Potato Biochemistry: Tuber Physiological Changes in Response to ‘Candidatus Liberibacter solanacearum’ Infection Over Time
Authors: Rashed A. , Wallis C. M. , Paetzold L. , Workneh F. , Rush C. M.
Published: February 2013

Zebra chip disease, putatively caused by the bacterium ‘Candidatus Liberibacter solanacearum’, is of increasing concern to potato production in Mexico, the United States, and New Zealand. However, little is known about the etiology of this disease and changes that occur within host tubers that result in its symptoms. Previous studies found that increased levels of phenolics, amino acids, defense proteins, and carbohydrates in ‘Ca. L. solanacearum’-infected tubers are associated with symptoms of zebra chip. This study was conducted to quantify variations in levels of these biochemical components in relation to the time of infestation, symptom severity, and ‘Ca. L. solanacearum’ titer. Levels of phenolics, peroxidases, polyphenol oxidases, and reducing sugars (glucose and, to some extent, fructose) changed during infection, with higher levels occurring in tubers infected at least 5 weeks before harvest than in those infected only a week before harvest and those of controls. Compared with the apical tuber ends, greater levels of phenolics, peroxidases, and sucrose occurred at the basal (stolon attachment) end of infected tubers. With the exception of phenolics, concentrations of the evaluated compounds were not associated with ‘Ca. L. solanacearum’ titer. However, there were significant associations between biochemical responses and symptom severity. The lack of a linear correlation between most plant biochemical responses and ‘Ca. L. solanacearum’ titer suggests that shifts in metabolic profiles are independent of variations in ‘Ca. L. solanacearum’ levels.
Polyphenol Oxidase Inhibitor from Blue Mussel (Mytilus edulis) Extract
Authors: Schulbach Kurt F. , Johnson Jodie V. , Simonne Amarat H. , Kim Jeong‐Mok , Jeong Yoonhwa , Yagiz Yavuz , Marshall Maurice R.
Published: February 2013

Enzymatic browning remains a problem for the fruit and vegetable industry, especially new emerging markets like pre‐cuts. A crude inhibitor from blue mussel (Mytilus edulis) showed broad inhibition for apple (58%), mushroom (32%), and potato (44%) polyphenol oxidase (PPO) and was further characterized. Inhibition increased as the concentration of inhibitor increased in the reaction mixture eventually leveling off at a maximum inhibition of 92% for apple PPO. The inhibitor was capable of bleaching the brown color formed in the reaction mixture with apple PPO. Identification of the inhibitor by mass spectrometry and high‐performance liquid chromatography revealed it to be hypotaurine (C2H7NO2S). Hypotaurine and other sulfinic acid analogs (methane and benzene sulfinic acids) showed very good inhibition for apple PPO at various concentrations with the highest inhibition occurring at 500 μM for hypotaurine (89%), methane sulfinic acid (100%), and benzene sulfinic acid (100%).

Practical Application:  An inhibitor found in the expressed liquid from blue mussel shows very good inhibition on enzymatic browning. Since this enzyme is responsible for losses to the fruit and vegetable industry, natural inhibitors that prevent browning would be valuable. Finding alternative chemistries that inhibit browning and understanding their mode of action would be beneficial to the fruit and vegetable industries and their segments such as pre‐cuts, juices, and so on. Inhibitors from products ingested by consumers are more acceptable as natural ingredients.
Curcumin: an orally bioavailable blocker of TNF and other pro‐inflammatory biomarkers
Authors: Aggarwal Bharat B , Gupta Subash C , Sung Bokyung
Published: February 2013

TNFs are major mediators of inflammation and inflammation‐related diseases, hence, the United States Food and Drug Administration (FDA) has approved the use of blockers of the cytokine, TNF‐α, for the treatment of osteoarthritis, inflammatory bowel disease, psoriasis and ankylosis. These drugs include the chimeric TNF antibody (infliximab), humanized TNF‐α antibody (Humira) and soluble TNF receptor‐II (Enbrel) and are associated with a total cumulative market value of more than $20 billion a year. As well as being expensive ($15 000–20 000 per person per year), these drugs have to be injected and have enough adverse effects to be given a black label warning by the FDA. In the current report, we describe an alternative, curcumin (diferuloylmethane), a component of turmeric (Curcuma longa) that is very inexpensive, orally bioavailable and highly safe in humans, yet can block TNF‐α action and production in in vitro models, in animal models and in humans. In addition, we provide evidence for curcumin's activities against all of the diseases for which TNF blockers are currently being used. Mechanisms by which curcumin inhibits the production and the cell signalling pathways activated by this cytokine are also discussed. With health‐care costs and safety being major issues today, this golden spice may help provide the solution.

Linked Articles

This article is part of a themed section on Emerging Therapeutic Aspects in Oncology. To view the other articles in this section visit http://dx.doi.org/10.1111/bph.2013.169.issue‐8
Insufficient irrigation induces peri‐implant bone resorption: an in vivo histologic analysis in sheep
Authors: Trisi Paolo , Berardini Marco , Falco Antonello , Podaliri Vulpiani Michele , Perfetti Giorgio
Published: February 2013

Objectives

To measure in vivo impact of dense bone overheating on implant osseointegration and peri‐implant bone resorption comparing different bur irrigation methods vs. no irrigation.

Materials and methods

Twenty TI‐bone® implants were inserted in the inferior edge of mandibles of sheep. Different cooling procedures were used in each group: no irrigation (group A), only internal bur irrigation (group B), both internal and external irrigation (group C), and external irrigation (group D). The histomorphometric parameters calculated for each implant were as follows: %cortical bone–implant contact (%CBIC) and %cortical bone volume (%CBV). Friedman's test was applied to test the statistical differences.

Results

In group A, we found a huge resorption of cortical bone with %CBIC and %CBV values extremely low. Groups B and C showed mean %CBIC and %BV values higher than other groups The mean %CBV value was significantly different when comparing group B and group C vs. group A (P < 0.05). Significant differences in %CBIC were found also between group C and group A (P < 0.05).

Conclusions

Thermal injury, due to insufficient irrigation, of hard bone caused massive resorption of the cortical bone and implant failure. Drilling procedures on hard bone need an adequate cooling supply because the bone matrix overheating may induce complete resorption of dense bone around implants. Internal–external irrigation and only internal irrigation showed to be more efficient than other types of cooling methods in preventing bone resorption around implants.
Circulating immunosuppressive cells of prostate cancer patients before and after radical prostatectomy: Profile comparison
Authors: Brusa Davide , Simone Mariagrazia , Gontero Paolo , Spadi Rosella , Racca Patrizia , Micari Jasmin , Degiuli Maurizio , Carletto Sara , Tizzani Alessandro , Matera Lina
Published: February 2013

Objectives

A dendritic cell‐based cancer vaccine has recently received Food and Drug Administration approval in the USA based on its ability to prolong the survival of prostate cancer patients with advanced disease. However, tumor‐mediated immunosuppressive mechanisms might represent an obstacle to optimal performance of this therapy. We have recently shown that monocytes from the blood of prostate cancer patients can fully mature to dendritic cells only after the tumor is removed. Here, we have tested the hypothesis that these tumor‐driven monocytes correspond to the recently described subset of CD14+HLA‐DRlow immunosuppressor cells.

Methods

Prostate cancer patients were studied before and 1 month after prostatectomy. Pre‐ and postsurgical patients with colorectal cancer were also included for comparison. Flow cytometric analysis was applied to define CD14−HLA‐DRlowCD33+CD11b+ (myeloid) and CD14+HLA‐DRlow (monocytic) suppressor cells. Interferon‐γ release was used to assess the immunocompetence of lymphocytes.

Results

In both prostate cancer and colorectal cancer patients, the percentage of CD14+HLA‐DRlow cells was several‐fold higher compared with normal subjects. This was not the case for CD14−HLA‐DRlowCD33+CD11b+ cells. Furthermore, postsurgical normalization of CD14+HLA‐DRlow cells only occurred in prostate cancer patients. In all patients, the interferon‐γ response of T lymphocytes to phorbolmyristate acetate‐ionomycin was higher compared with normal donors, but it was further increased after tumor ablation only in prostate cancer patients.

Conclusions

The direct link between CD14+HLA‐DRlow increase and presence of primary tumor suggests a distinguishing immunosuppressive profile of prostate cancer. This observation supports the principle that the appropriate setting for prostate cancer vaccine therapy is a minimal disease status.