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Dienstag, 24.01.2017
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„Herzschlag“ von Nanoteilchen sichtbar gemacht

Nanoantenne ermöglicht direkte Messung von Schwingungen eines angeregten Nanoteilchens

Die winzigen Schwingungen eines angeregten Nanoteilchens – quasi den „Herzschlag“ des Partikels – haben jetzt Forscher mit einer neuen Methode messbar gemacht. Wie sie in „Nature Communications“ berichten, nutzen sie eine erstmals Nanoantenne, um die Signale ultraschneller nichtlinearer Spektroskopie zu verstärken. Die Amplitude der winzigen Schwingungen ließ sich dadurch um eine Größenordnung erhöhen und so messbar machen.
Schwingungen des Goldteilchen ohne (oben) und mit Nanoantenne

Schwingungen des Goldteilchen ohne (oben) und mit Nanoantenne

Auch winzig kleine Nanoteilchen aus Gold besitzen so etwas wie einen Herzschlag. Richtet man einen kurzen Laserpuls auf diese Teilchen, so heizen sie sich für sehr kurze Zeit auf und fangen an zu schwingen. Allerdings sind Nanoteilchen auch in den besten Mikroskopen nicht mehr sichtbar und daher schwierig zu untersuchen. Auf dem Weg dahin hat Juniorprofessor Markus Lippitz vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung zusammen mit seinem Doktoranden Thorsten Schumacher jetzt einen Durchbruch erzielt. Er nutzte dabei eine an der Universität Stuttgart entwickelte Nanoantenne als Sensor für die feinen Schwingungen.

Antennenscheibchen verstärkt Lichtmodulationen


Dafür platzierte der Forscher eine kleine Nanoantenne in Form eines 70 Nanometer kleinen Scheibchens in die Nähe des noch kleineren Goldteilchens. Diese Nanoantenne sorgt dafür, dass das Laserlicht besonders scharf gebündelt und in das zu untersuchende Nanoteilchen eingekoppelt wird. Wenn ein Nanoteilchen so in einem Laserstrahl sitzt und gleichzeitig schwingt, so wird die Intensität des Laserstrahls ganz leicht moduliert. Die Antenne verstärkt die von den nanomechanischen Schwingungen des Teilchen ausgelösten Lichtmodulationen macht sie damit messbar. Dieser optische Aufbau ermöglicht es daher, den Schwingungen wie mit einem Stroboskop zuzusehen.

„Das ist das erste Mal, dass jemand Nanoantennen nutzt, um nichtlineare optische Effekte zeitaufgelöst zu untersuchen. Das Ganze funktioniert wie bei einem Handy, bei dem die Antenne dafür sorgt, dass die elektromagnetischen Wellen in die kleinen Schaltkreise des Handys effektiv ein- und ausgekoppelt werden“, erklärt Lippitz. Durch die Analyse der Schwingungen können Wissenschaftler einiges über das Nanogold lernen: Verhält es sich beim Schwingen wie ein Stück Stahl, spielt eher das Volumen eine Rolle, schwingt es wie ein aufgeblasener Luftballon, wird das Verhalten eher von der Oberfläche dominiert.


Auch Filme auf der Nanoskala möglich


Lippitz träumt davon, auch die mechanischen Eigenschaften allerkleinster Nanoteilchen zu untersuchen. „Dann wäre das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen riesig, und wir würden ganz neue nanomechanische Eigenschaften erwarten“, erklärt er. Lippitz sieht ein riesiges Anwendungspotenzial für seine neue Methode: „In Zukunft werden wir Nano-Objekte von nur wenigen Nanometern Durchmesser in den Brennpunkt einer Nanoantenne legen und dabei mithilfe von nichtlinearer Optik Abläufe studieren können, die nur wenige Femtosekunden dauern. Dann können wir gleichsam Filme auf der Nanoskala drehen, die die extremste Zeitlupe besitzen, die man sich nur vorstellen kann. Man wird Halbleiter- Quantenpunkte, aber auch chemische und biologische Objekte, wie zum Beispiel kleinste Viren auf diese Art untersuchen können.“ (Nature Communications, 2011; DOI: 10.1038/ncomms1334)
(Universität Stuttgart, 06.06.2011 - NPO)
 
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