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Samstag, 25.06.2016
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“Traktorstrahl” aus Licht fängt DNA-Moleküle

Neuartiger Wellenleiter macht Licht zu effektiverem Nanowerkzeug

Mithilfe eines neuartigen Wellenleiters haben Wissenschaftler einen Laserstrahl zu einer Art „Traktorstrahl“ umfunktioniert. Wie sie in „Nature“ berichten, bündeln winzige Kanäle im Leiter das Licht so, dass mit ihm DNA-Moleküle aus einer Wasserlösung eingefangen werden können.
DNA-Moleküle fließen durch einen Nanokanal

DNA-Moleküle fließen durch einen Nanokanal

Licht wird heute längst nicht mehr nur zur Beleuchtung eingesetzt, sondern ist zu einem wichtigen Werkzeug der Nanowissenschaftler geworden. Forscher nutzen es unter anderem, um Zellen und sogar Nanoobjekte zu manipulieren. Jetzt aber haben Wissenschaftler der Cornell Universität eine neue Technik entwickelt, die es ermöglicht, solche Objekte genauer und über größere Distanzen hinweg zu beeinflussen.

„Im Nanomaßstab können wir uns das Licht als eine Reihe von masselosen Teilchen, den Photonen vorstellen”, erklärt David Erickson, Ingenieur an der Cornell Universität und einer der Autoren der Studie. „Wir haben nun eine Methode demonstriert, mit der diese Photonen auf einen sehr kleinen Raum konzentriert werden können und dann entlang eines speziellen Wellenleiters, einem Instrument, das wie ein Nanoglasfaserkabel wirkt, geleitet werden.“

Minikanäle fokussieren Lichtwellen


Das besondere an diesem neuen Wellenleiter ist seine Fähigkeit, die Wellenenergie des Lichts bis auf die Größenordnung der Zielmoleküle herunterzufokussieren. Jeder der winzigen Kanäle im Leiter misst nur 60 bis 120 Nanometer im Durchmesser und ist damit deutlich dünner als die Wellenlänge des infraroten Laserlichts, das durch sie hindurch läuft. Diese liegt bei 1.500 Nanometer. Die Kanäle halten die Lichtwellen fokussiert, bisherige Probleme durch Streuung des Lichts treten dabei nicht mehr auf.


Weil der Lichtleiter gleichzeitig als Nanotunnel wirkt, kann er nicht nur das Licht, sondern auch winzige Objekte einfangen und mithilfe des gebündelten Lichts transportieren. Wenn Nanopartikel oder beispielsweise DNA-Moleküle den strömenden Photonen nahe kommen, werden sie eingesaugt und mitgerissen. „Der Effekt gleicht dem Versuch, einen Lastwagen durch Bewerfen mit Baseballs zu bewegen“, so Erickson. „Unser Trick dabei ist es, eine hohe Zahl von hocheffizienten Kollisionen zwischen den Photonen und den Nanopartikeln zu erzeugen, sie in unserem Instrument zu halten und daran entlang zu bewegen.“

“Traktorstrahl” in DNA-Lösung


Für ihre Experimente nutzten die Wissenschaftler Lösungen von DNA oder kleinen Nanopartikeln in Wasser, die über die Wellenleiterkanäle gespült wurden. Bei einer Fließgeschwindigkeit von 80 Mikrometern pro Sekunde fängt das System weniger als ein Viertel der vorbeiströmenden Zielpartikel, bei kleineren Kanalgrößen, langsameren Strömungen und energiereicheren Lasern steigt die Erfolgsrate jedoch.

„Wir hoffen nun, die zugrundeliegende Physik noch besser zu verstehen, damit wir sehen können, was noch mit diesem Ansatz möglich ist“, so Erickson. „In der Zukunft können wir dann hoffentlich einzelne DNA-Stränge genauso gezielt umher bewegen wie wir es jetzt mit dem Licht tun.“

„Damit diese Forschung marktreif werden kann, beispielweise in Form eines ‘Lab on a Chip’, ist es essentiell für die Ingenieure, dass sie Materie auf der Ebene der Moleküle und Atome manipulieren können, vor allem, wenn die Materie in einem Flüssigkeitsstrom enthalten ist, der nur wenig größer ist als die Teilchen selbst“, erklärt William Schultz von der National Science Foundation, die das Projekt fördert. „Die Cornell-Forscher haben hier einen wichtigen Schritt zur Realisierung des vollen Potentials solcher Systeme geleistet.”
(National Science Foundation, 07.01.2009 - NPO)