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Projekt
Multiskalen-Mikroskopiesystem
Fachliche Zuordnung
Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Förderung
Förderung in 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549031455
Skalenübergreifende Prozesse, bei denen mikroskopische Wechselwirkungen die makroskopische Phänomenologie bestimmen, gehören zu den faszinierendsten und nach wie vor unzureichend verstandenen Eigenheiten weicher und lebender Materie. Mit Hilfe des hier beantragten Gerätes sollen solche skalenübergreifenden Prozesse erforscht werden. Durch gleichzeitige Bildgebung des gesamten, makroskopischen Probenverhaltens sowie (ausschnittsweise) der relevanten Prozesse auf mikroskopischer Skala wird die Verknüpfung der Skalen messbar. Dies lässt sich anhand zweier Beispiele konkretisieren: (i) Millimeter-große Tropfen komplexer Flüssigkeiten zeigen aufgrund von mikroskopischen Strömungen nahe ihrer Kontaktlinie ein von herkömmlichen Tropfen stark abweichendes Benetzungsverhalten, insbesondere in Kombination mit Substratstrukturen auf eben jener Skala. (ii) Mikrobielle Lebewesen, insbesondere fädige Cyanobakterien, aggregieren zu komplexen zwei- und dreidimensionalen Kolonien mit dynamischer und adaptiver Morphologie, was auf der Motilität der Individuen beruht. Um den Zusammenhang zwischen Makro- und Mikrodynamik experimentell zugänglich zu machen, ist in beiden Fällen die simultane Beobachtung beider Längenskalen erforderlich. Um solche skalenübergreifenden Prozesse in verschiedenen experimentellen Systemen zu erforschen wird ein Multiskalen-Mikroskopiesystem beantragt, welches ein aufrechten Zoom-Mikroskop, ein invertiertes Lichtmikroskop, hochauflösende Kameras, einen Lichtmusterprojektor, sowie einer Grafikprozessoranlage vereint. Diese werden durch einen zentralen Datenspeicher ergänzt. Inverses und aufrechtes Mikroskop sind mit verschiedenen Beobachtungsmodi (Hellfeld, Fluoreszenz, Phasenkontrast) ausgestattet und weitestgehend automatisiert, um verschiedene Größen (Morphologie, Absorption, Autofluoreszenz, Partikeltrajektorien) simultan messen zu können. Mit Hilfe der Kameras werden Bilddaten auf beiden Längenskalen simultan erfasst und auf dem zentralen Datenspeicher zwischengespeichert. Die Analyse der Daten erfolgt größtenteils mit Hilfe maschinell erlernter Faltungsnetzwerke, welche auf dem beantragten Grafikprozessoren implementiert werden. Dies ermöglicht nicht nur die Ex-Situ Analyse großer, zwischengespeicherter Datenmengen, sondern vor Allem auch die Echtzeitanalyse, womit die Messungen an Mikroskopsteuerung bzw. Lichtmusterprojektion gekoppelt werden können. Hypothesen werden so durch gezieltes Feedback überprüfbar, ebenso werden physisch-virtuelle Hybridexperimente realisierbar.
DFG-Verfahren
Forschungsgroßgeräte
Großgeräte
Multiskalen-Mikroskopiesystem
Gerätegruppe
5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503)
Antragstellende Institution
Universität Konstanz
