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Nanomaschine mit Lichtantrieb

Polarisiertes Licht ordnet Nanopartikel selbstorganisiert zum "Getriebe" an und dreht sie

Nanomaschine
Diese Nanopartikel ordnen sich unter Einfluss polarisierten Laserlichts von selbst so regelmäßig an und rotieren entgegen der Drehrichtung des Lichts. © Norbert F. Scherer/ University of Chicago

Licht als Konstrukteur: Forscher haben eine Nanomaschine entwickelt, die allein durch Licht zusammengesetzt und bewegt wird. Sie besteht aus Silber-Nanopartikeln, die sich in polarisiertem Laserlicht selbst zu einer Art Rad anordnen und die dann entgegengesetzt zur Drehrichtung des Lichtstrahls rotieren. Diese lichtgetriebene Nanomaschine könnte neue Wege der nanotechnologischen Konstruktion eröffnen.

Licht wirkt auch auf Materie – und das auf vielfältige Weise. Schon Albert Einstein erkannte beispielsweise, dass Licht Elektronen aus einem Atom herausschlagen oder sie auf ein höheres Energieniveau heben kann. Polarisiertes Licht übt zudem einen Drehimpuls aus, der Nanopartikel in Bewegung versetzen kann. Und im großen Maßstab kann der Strahlungsdruck starker Laser oder der Sonne sogar Lichtsegel im Weltraum vorwärtstreiben.

Drehendes Licht als Antrieb

Wie sich die Kraft des Lichts in der Nanotechnologie praktisch nutzen lässt, haben nun John Parker vom der University of Chicago und seine Kollegen ausprobiert. Für ihr Experiment gaben sie Silber-Nanopartikel von 150 Nanometer Durchmesser in Wasser und richteten dann einen zirkulär polarisierten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von rund 600 Nanometern auf sie. Das Licht dieses Lasers schwingt damit in nur einer Ebene, deren Ausrichtung sich aber ständig dreht.

Der Clou dabei: Schon früher hatten die Forscher festgestellt, dass bestimmte Nanopartikel auf dieses „drehende“ Licht reagieren. Der Einfluss der Photonen bringt sie dazu, sich gegen die Polarisationsrichtung des Lichts zu drehen. Das Licht übt ein negatives Drehmoment auf die Objekte aus und wie in einem Getriebe führt seine Rotation in die eine Richtung dazu, dass sich der winzige Nanorotor in die andere Richtung dreht.

Selbstorganisation durch Laserlicht

Jetzt sind Parker und seine Kollegen noch einen Schritt weiter gegangen. Denn in ihrem Experiment sollte das Licht nicht nur die einzelnen Nanopartikel bewegen – es sollte sie auch zu einer winzigen Maschine zusammenfügen. „Damit folgen wir einem lange angestrebten Ziel in der Nano-Community, sich selbstorganisierende Nanomaschinen zu bauen, die in herkömmlichen Umgebungen wie in Raumtemperatur-Flüssigkeiten arbeiten“, erklärt Parkers Kollege Norbert Scherer.

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Und tatsächlich: Als die Forscher ihren Laser anschalteten, begannen die Silber-Nanopartikel im Wasser, sich scheinbar wie von Geisterhand zu einem geordneten Gebilde zusammenzufügen. Ähnlich wie in einer Laserfalle erzeugte der Lichtstrahl eine Art Feld, das die zuvor ungeordnet umherschwimmenden Nanopartikel sortierte und zu einem gemeinsam reagierenden Gebilde verband.

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Die lichtgetriebene Nanomaschine arbeitet wie ein Zahnradgetriebe: Wird ein Rad – das Licht – in die eine Richtung gedreht, dreht sich das damit verbundene Rad in die Gegenrichtung. © Norbert F. Scherer/ University of Chicago

Eine lichtgetriebene Nanomaschine

Dadurch entsteht eine Art Nanomaschine: Werden diese verkoppelten Nanopartikel weiterhin polarisiertem Laserlicht ausgesetzt, beginnen sie, sich koordiniert und gerichtet zu drehen. „Sowohl die Energie für die Montage der Maschine als auch die Kraft für ihre Bewegung stammen allein aus dem Licht“, sagt Scherer. „Wenn der Laser einmal auf die Nanopartikel-Lösung gerichtet ist, läuft der ganze Prozess völlig von allein ab.“

Wie effektiv das Licht die Nanomaschine drehen kann, hängt dabei auch von der Zahl der beteiligten Nanopartikel ab, wie die Experimente ergaben. So erwiesen sich Ensembles aus acht Nanopartikeln als effizienter als solche aus sieben. „Auch wenn der Nutzer die Selbstorganisation der Nanomaschine nicht aktiv kontrollieren muss, kann er dies tun und so Größe und Rotation für spezielle Anwendungen anpassen“, so der Forscher.

Nanopumpen und Teilchensortierer

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte solche Nanomaschinen durchaus praktische Anwendung in der Nanotechnologie finden – beispielsweise als lichtgetriebene Nanopumpen oder bei der automatisierten Sortierung von Partikeln. Parker und seine Kollegen arbeiten bereits an größeren und komplexeren Versionen ihrer lichtgetriebenen Nanomaschine, in denen sie unter anderem mehrere „Getriebe“ miteinander kombinieren wollen. (Optica, in press, doi: 10.1364/OPTICA.396147)

Quelle: The Optical Society

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