Projekter vi har finansieret

I nærværende projekt er målet at bruge nanoteknologi til at integrere de ekstraordinære egenskaber, som fire kendte carbon allotroper (grafen, carbon nanorør, fullerener og nanokegler) besidder, til at skabe nye unikke carbonbaserede hybridmaterialer. Ved at introducere molekylære håndtag (fx DNA strenge) kan allotroperne organiseres og arrangeres i forudbestemte mønstre og netværk med nanometer præcision. Da den eksakte natur af de funktionelle grupper er afgørende for, hvorledes den endelige kombination af de fire allotroper bliver, kan de fysiske og kemiske egenskaber af det fremstillede hybridmateriale finjusteres. Ad denne vej kan materialet tilegnes funktioner, som svarer til de præcist ønskede. Denne måde at opnå multifunktionalitet og responsivitet er fuldstændig ny, og det forventes derfor, at projektet udover at lede til essentielle grundvidenskabelige opdagelser vil skabe fundament for at kunne udvikle nye smarte carbon hybridmaterialer. Sådanne vil eksempelvis kunne udnyttes i sensorer, batterier og høj-præcisions nano-patternings redskaber.

Dielektriske materialer såsom glas, safir og diamant er karakteriserede ved at være gennemsigtige for lys. Årsagen er, at lyskvanternes energi ikke er tilstrækkelig til at excitere materialets elektroner på grund af deres stærke binding (et stort båndgab). Dette gælder imidlertid ikke, hvis lysintensiteten bliver høj nok, da materialet i så fald kan exciteres ved hjælp af såkaldte ikke-lineære processer. Excitationen fører til dannelse af ”frie” (ledningsbånds-) elektroner i materialet, som således pludselig ændrer egenskaber og bliver mere metallisk. Med ultrakorte laserpulser kan man altså ændre materialeegenskaberne drastisk på nogle få femtosekunder (hvor ét femtosekund er 0,000 000 000 000 001 sekund). Det viser sig at være yderst vanskeligt at lave teoretiske beskrivelser af denne proces. Udfordringen er – på en selvkonsistent måde – samtidigt at beskrive det højtexciterede materiale og lysets udbredelse. Vi har imidlertid for nylig foreslået en generisk model for, hvordan dette kan gøres ved at beskrive materialets excitation med en række koblede rateligninger og lysudbredelsen med en model for plasmaabsorption (Drude model). I dette projekt vil den foreslåede model blive forbedret ved at sammenligne dens forudsigelser med avancerede tidsopløste eksperimenter (eksempelvis tidsopløst interferometri). En del af eksperimenterne og elementer af de teoretiske studier vil ske i samarbejde med to førende internationale grupper.

Dette projekt vil undersøge de mekaniske egenskaber af faste kemiske stoffer, samt forsøge at forstå, hvordan de er relateret til den faste struktur. Forsøgene på små krystaller, hvor strukturen kan bestemmes præcist, ved anvendelse af teknikken ”nanoindentation”. Dette indebærer at trykke på overfladen af krystallerne med en probe, der har en spids nanometer størrelse. De mekaniske egenskaber af systemet kan udledes fra den måde, at spidsen påvirker krystaloverfladen. Målet er at udvikle en computermodel, som kan forklare de mekaniske egenskaber af krystalstrukturen. Den praktiske værdi vil være at forudsige de mekaniske egenskaber af faste kemiske stoffer med henblik på at designe bedre materialer.

Diskret matematik er en relativt ny gren af matematikken og fortsat i stærk udvikling, ikke mindst på grund af anvendelser i andre grene af matematikken (topologi, geometri, logik mm) samt anvendelser i ingeniørvidenskab, operationsanalyse og datalogi. På DTU, SDU, KU og AAU har forskergrupper markeret sig internationalt gennem publikationer i diskret matematik og teoretisk datalogi og ved at arrangere internationale møder, redaktionsarbejde (fx chefredaktør) for internationale tidsskrifter, plenumforelæsninger ved internationale konferencer etc. Dybden af forskningen illustreres gennem løsning af hidtil uløste teoretiske problemer. Bredden i forskningen illustreres af de mange samarbejdspartnere fx i de videnskabelige publikationer. Betydningen af forskningen illustreres af resultaternes omtale i lærebøger og videnskabelige artikler samt placering i diverse rangordninger. Et hovedformål med det fremtidige arbejde er at styrke samspillet mellem matematik (grafteori) og teoretisk datalogi (algoritmer, datastrukturer). Samspillet går i begge retninger: grafteorien er et nyttigt værktøj til analyse af datalogiske problemstillinger. Omvendt hjælper disse problemstillinger til formulering af relevante matematiske spørgsmål. Et andet hovedformål er at styrke de danske og internationale forbindelser i arbejdet på løsning af kendte, vanskelige matematiske problemer og at relatere disse til anvendte problemstillinger.

Vi ønsker at etablere kerne magnetisk resonans spektroskopi og imaging (NMR/MRI) metoder med følsomhedsforbedring via hyperpolarisering til studier af tidlige stadier af amyloid fibril dannelse i relation til sygdomme og biologisk funktion. Disse tidlige stadier er af fundamental betydning for udviklingen af sygdomme og potentiel medicinsk påvirkning samt for en grundlæggende forståelse af protein foldning i Naturen. Tidlig diagnose kræver høj følsomhed, hvilket for NMR/MRI kan opnås ved at bruge såkaldt dynamisk nuklear polarisering, hvor magnetisering bringes fra elektroner til kerner. Herved kan følsomheden forbedres med 4-5 størrelsesordener. For at realisere dette er der behov for en såkaldt hyperpolarisator, syntese af biomarkører, der binder effektivt binder til amyloid fibriller, samt udvikling af NMR metoder til effektiv magnetiseringsoverførsel. Denne ansøgning kombinerer disse elementer med henblik på at bygge et ”amyloid meter” til identifikation af dannelse af amyloid plak i tidlige stadier af biologiske processer.

Planter og insekter har udviklet sig sideløbende i ca. 420 millioner år. En essentiel drivkraft har været evnen til at producere og håndtere kemiske forsvarsstoffer. De enkelte plantearter har udviklet forskellige kemiske strategier for at forsvare sig imod insektangreb og samtidig har insekterne tilpasset sig planternes kemiske forsvar. Men mange insekter danner også forsvarsstoffer som del af deres forsvarsstrategi mod rovdyr. Cyanogene glukosider er forsvarsstoffer i mange forskellige plantearter, men også i nogle få insektfamilier, hovedsageligt sommerfugle og sværmere. Cyanogene glukosider er giftige da de kan nedbrydes til blåsyre. I det unikke modelsystem med køllesværmere og deres fødeplante kællingetand, er køllesværmerlarven både i stand til at optage de cyanogene glukosider fra sin fødeplante og selv producere dem. Dette er det eneste kendte eksempel på et insekt der både kan producere og optage de samme forsvarsstoffer fra planter. Vi har for nyligt afklaret hvordan både køllesværmerlarven og kællingetandsplanten producerer cyanogene glukosider. De gør det på selv samme måde og benytter samme type enzymer. Men ser man på generne, er det klart at evnen til at danne cyanogene glukosider er opstået evolutionært uafhængigt af hinanden. Vi vil afklare hvordan evnen til at danne et kemisk forsvarsstof er udviklet i insekter, ved at undersøge generne for de enzymer der er involveret i syntesevejen fra andre insektarter og samtidig modulere den rumlige opbygning af enzymerne.

Menneskeskabte klimaændringer forventes at få stor indflydelse på fremtidig biodiversitet. I vurderingen af konsekvenserne har man hidtil fokuseret på arters muligheder for at ændre udbredelse til områder, hvor de fremtidige temperaturforhold er mere gunstige, eller deres evne til at tolerere klimaændringer ud fra deres nuværende fysiologi og livshistorie. Imidlertid eksisterer også den mulighed, at arterne over relativt få generationer tilpasser sig de ændrede forhold gennem genetiske ændringer, altså evolution. Viden om dette er derfor vigtig for at kunne vurdere de fremtidige konsekvenser af klimaforandringer. Arktis, herunder Grønland, er det område, hvor de største klimaændringer foregår. Vi vil teste, om to fiskearter i Grønland, fjeldørred og trepigget hundestejle, kan tilpasse sig fremtidige klimaændringer gennem evolution. Vi vil analysere populationer fordelt over 1.200 kilometer fra nord til syd. Analyse af tusinder af DNA-markører (SNPs) fordelt over fiskenes genom vil sætte os i stand til at identificere genetisk variation, som er involveret i temperaturtilpasning og kan være byggesten for fremtidig evolution. I fjeldørred vil vi desuden analysere DNA fra skæl og øresten, som blev indsamlet i 1930-50’erne. Derved kan vi teste, om der allerede er foregået evolutionær respons på klimaændringer. Endelig vil vi klække æg af fjeldørred ved forskellige temperaturer og analysere, hvorledes deres tidlige livshistorie påvirkes af nutidige og fremtidige temperaturforhold.

Småvinkel Røntgenspredning (SAXS) er en enestående teknik til at bestemme strukturen af partikler i opløsning. Disse kan for eksempel være proteiner, nanopartikler eller større komplekser af molekyler. For proteiner betyder dette, at de kan undersøges i omgivelser som er så tæt som muligt på deres naturlige omgivelser. Proteiners struktur og funktion er knyttet tæt sammen, så for at forstå hvordan de fungerer, er det altafgørende at kende deres rumlige struktur. Vi vil bygge et banebrydende SAXS-instrument med en helt ny type Røntgenkilde efter et nyt instrumentdesign og med de nyeste komponenter. Det vil give Røntgenstråling af så høj intensitet, at en måling kan gennemføres på en brøkdel af den tid, det tager med eksisterende laboratorieinstrumenter. For systemer, der ændrer sig over tid, betyder dette, at i stedet for blot at bestemme start- og slutstrukturen, kan man foretage gentagne målinger i løbet af ændringsprocessen. Derved opnås ny viden, om hvordan processen forløber. Det nye instrument vil blive anvendt til at undersøge vekselvirkning mellem proteiner og sæbemolekyler, som begge indgår i mange industrielle produkter og som også udnyttes bredt i bioteknologien. Når protein og sæbe blandes i en opløsning, danner de sædvanligvis nye komplekser. Studierne vil give en forståelse for detaljerne i vekselvirkningen mellem sæbe og proteiner, hvilket vil kunne udnyttes i bioteknologien og i industrien til at optimere produkter og processer, hvori protein og sæbe indgår.