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Donnerstag, 17.08.2017
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Optischer Schalter aus einzelnen Molekülen entwickelt

Grünes Licht für die Nanoelektronik

In der Nanophotonik wird das Verhalten von Licht im Nanometerbereich untersucht und manipuliert. So könnte Licht in Zukunft beispielsweise in optischen Schaltkreisen die Rolle von elektrischen Strömen übernehmen. Auf kleinstem Raum haben diese optischen Schaltkreise das Potenzial, die Leistungsfähigkeit und Arbeitsgeschwindigkeit von elektronischen Schaltungen weit zu übertreffen. Physiker haben nun in einem neuartigen Ansatz gezeigt, wie die Ausbreitungsrichtung von Licht bzw. Lichtenergie auf der Ebene einzelner Moleküle manipuliert werden kann.
Steckbrett aus DNA

Steckbrett aus DNA

Dazu platzierten die Biophysiker eine Kaskade von vier verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen auf einer DNA-Plattform im Nanometer-Maßstab. Mithilfe eines so genannten „Springer“-Farbstoffs gelang es ihnen, die Richtung des Lichtweges bzw. des Energietransfers zu kontrollieren. Der Erfolg dieser Strategie konnte mit einer neuen Vier-Farben-Einzelmolekültechnik sichtbar gemacht werden, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Journal of the American Chemical Society“ (JACS).

Licht auf der Nanoskala kontrollieren


Um Licht auf der Nanoskala zu kontrollieren, bedarf es neuer optischer Bauteile, die als Drähte und Schalter fungieren. Als eine Art Draht könnte der Energietransfer zwischen einzelnen Farbstoffen wirken. In der Natur gibt es für diesen Transfer bereits ein prominentes Beispiel: In der Photosynthese wird Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen zwischen Molekülen transportiert.

Das Prinzip dieses so genannten Fluoreszenz-Resonanzenergietransfers (FRET) nutzte das Team der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) um Professor Philip Tinnefeld, der zwischenzeitlich an die Technische Universität Braunschweig gewechselt ist, um Licht von Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu Fluoreszenz-Farbstoffmolekül zu leiten. Dazu setzen die Wissenschaftler Farbstoffe ein, die ihr Absorptionsmaximum im blauen, grünen, roten und infraroten Wellenlängenbereich besitzen.


Winziges Steckbrett im Einsatz


Damit die Moleküle – beispielsweise in künstlichen Lichtschaltkreisen – miteinander wechselwirken können, dürfen sie nur rund fünf Nanometer auseinander liegen. Dies gelingt den Wissenschaftlern mithilfe eines winzigen Steckbrettes, für das sie das Biomolekül DNA als Baustoff verwenden. Zunächst binden sie jedes Farbstoffmolekül an einen kurzen künstlichen DNA-Strang. Diese beladenen Abschnitte und rund 200 weitere kurze DNA-Stränge dienen anschließend als eine Art Heftklammern: Sie helfen einem einzelnen, sehr langen DNA-Faden dabei, sich selbstständig in eine zwei- oder auch dreidimensionale Struktur zu falten.

Diese ist derart vordefiniert, dass die Farbstoffmoleküle optimal zueinander gelegen aus dem „DNA-Teppich“ herausschauen, der typischerweise weniger als 100 Nanometer mal 100 Nanometer groß ist. Der gezielte Einsatz dieser molekularen Selbstorganisation und -faltung wird als „DNA-Origami“ bezeichnet, angelehnt an die japanische Papierfalt-Technik.

DNA als Trägermaterial mit Vier-Farben Einzelmolekül Spektroskopie kombiniert


Im Experiment regen die Biophysiker nun zunächst den blauen „Eingangs“-Farbstoff mit der passenden Lichtwellenlänge an. Dieser wird daraufhin einen Teil der Anregungsenergie mittels FRET als Fluoreszenzstrahlung auf einen nahegelegenen anderen Farbstoff übertragen. Und hier sitzt im wahrsten Sinne des Wortes der Clou des vorgestellten Steckbrett-Designs, der grüne „Springer“-Farbstoff. Denn je nachdem, wo dieser positioniert wird, leitet er die Lichtenergie entweder in Richtung des roten oder in Richtung des infraroten „Ausgangs“-Farbstoffs. Welcher Weg eingeschlagen wurde, zeigt die Farbe des Ausgangssignals.

In diesem neuartigen Ansatz kombinierten die Wissenschaftler um Tinnefeld erstmals die Nutzung von DNA als Trägermaterial mit Vier-Farben Einzelmolekül Spektroskopie, um das Schalten von Energietransfer-Pfaden zu visualisieren. Die DNA-Origami-Objekte bieten grundsätzlich zahlreiche Bindestellen zum Verankern von anderen Molekülen und können somit als molekulares Steckbrett oder „Nano-Platine“ angesehen werden. Die vorgestellte Vier-Farben Spektroskopie mit alternierender Laseranregung kann den Wissenschaftlern zufolge zudem umfassende Informationen über Objekte auf der Nanoskala liefern, sowohl über ihre Struktur als auch über ihre Wechselwirkungen.

Hochsensitive Analytik


Das neue Verfahren eignet sich den Wissenschaftlern zufolge außerdem für hochsensitive Analytik. Dazu können sie das System so konstruieren, dass sie über Lichtsignale schon die Bindung einzelner Moleküle einer gesuchten Substanz nachweisen können. (Journal of the American Chemical Society, 2011; http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1105464
(Universität München, 01.04.2011 - DLO)
 
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