Nanopartikel modifizieren Licht

  • Rechts- und linksgängige Nano-Wendeltreppen modifizieren zirkular polarisiertes Licht unterschiedlich Bild: Tim Liedl / LMURechts- und linksgängige Nano-Wendeltreppen modifizieren zirkular polarisiertes Licht unterschiedlich Bild: Tim Liedl / LMU

Nanopartikel, die maßgeschneidert sichtbares Licht modifizieren, wurden nun von Wissenschaftlern des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich hergestellt. Dazu verwendeten sie künstlich hergestellte DNA-Moleküle. Als vor einigen Jahren die Technik des DNA-Origami entdeckt wurde, war die Begeisterung groß. Mit dieser Technik konnten die Wissenschaftler gezielt Nanoteilchen mit definierter Form und Größe bauen. Doch echte Anwendungsmöglichkeiten, wie etwa Nanopinzetten, schienen bisher in weiter Ferne zu liegen. Einem internationalen Team unter der Führung von Professor Tim Liedl, Ludwig-Maximilians-Universität München und Professor Friedrich Simmel, Technische Universität München, gelang es, aus DNA-Bausteinen optisch aktive Nanoteilchen zu bauen, die für die gezielte Modifikation von Licht genutzt werden könnten.

Die Kopplung von Licht und Nanostrukturen könnte helfen, optische Sensoren für Medizin und Umwelttechnik um ein Vielfaches kleiner und empfindlicher zu machen. Doch, im Vergleich zu den nur wenige Nanometer großen Nanostrukturen, ist eine Lichtwelle mit ihrer Wellenlänge zwischen 400 und 800 Nanometern geradezu riesig. Wirken kleinste Strukturen aber in einer ganz bestimmten Art und Weise zusammen, können theoretisch auch kleine Objekte sehr gut mit Licht in Wechselwirkung treten. Mit herkömmlichen Methoden war es aber bisher nicht möglich, solche dreidimensionalen Strukturen mit Nanometer-Präzision in genügender Menge und Reinheit herzustellen.

DNA-Origami

Mit dem DNA-Origami wurde nun eine Methode gefunden, die all diese Anforderungen erfüllt. Sie erlaubt, die dreidimensionale Form des entstehenden Objekts auf den Nanometer genau vorherzubestimmen. Programmiert durch die Abfolge der Grundbausteine, falten sie sich die Nanobausteine von alleine zu den gewünschten Strukturen. Dem Team um Simmel gelang es, Nano-Wendeltreppen mit einer Stockwerkshöhe von 57 Nanometern und einen Durchmesser von 34 Nanometern herzustellen, an die in regelmäßigen Abständen Goldpartikel mit einem Durchmesser von zehn Nanometern angehängt sind.

An der Oberfläche der Goldpartikel reagieren die Elektronen mit dem elektromagnetischen Feld des Lichts.

Der geringe Abstand der Partikel sorgt dabei dafür, dass die Goldpartikel eines DNA-Strangs zusammenwirken und die Wechselwirkungen um ein Vielfaches verstärken. Professor Alexander O. Govorov, theoretischer Physiker an der Ohio University in Athens, USA, hatte vorausgesagt, dass der Effekt von Abstand, Größe und Beschaffenheit der Metallpartikel abhängen sollte. Mit Hilfe der DNA-Origami-Methode bauten die Münchener Physiker daher Nanostrukturen auf, bei denen sie diese Parameter variierten.

Modifikation von Licht

Die Ergebnisse dieser Experimenten bestätigten die Voraussagen ihrer Kollegen voll und ganz: Wässrige Lösungen von Nano-Wendeltreppen mit Rechts- und mit Linksgewinde unterscheiden sich sichtbar in ihrer Wechselwirkung mit zirkular polarisiertem Licht. Wendeltreppen mit größeren Partikeln zeigen eine deutlich stärkere optische Antwort als solche mit kleineren. Großen Einfluss hat auch die chemische Zusammensetzung der Partikel: Überzogen die Physiker die Goldpartikel mit einer zusätzlichen Silberschicht, so verschob sich die optische Resonanz vom roten in den kurzwelligeren blauen Bereich.

Im Zusammenspiel zwischen den theoretischen Berechnungen und den Möglichkeiten des DNA-Origami sind die Wissenschaftler nunmehr in der Lage nano-optische Materialien mit genau spezifizierbaren Eigenschaften herzustellen. In Zukunft wird untersucht, ob mit dieser Methode auch der Brechungsindex der hergestellten Materialien beeinflusst werden kann. Materialien mit negativem Brechungsindex könnten zum Beispiel für die Entwicklung neuartiger optischer Linsensysteme, sogenannter Superlinsen, genutzt werden. Die Arbeiten wurden gefördert aus Mitteln der Volkswagen Stiftung, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM) und der National Science Foundation (NSF, USA).

Originalliteratur:
Kuzyk A. et al.: DNA-based Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures with Tailored Optical Response, Nature 482, 311-314, (2012).

http://www.uni-muenchen.de/index.html

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