Antennen, wie wir sie von unseren Radiogeräten kennen, sind jedem ein Begriff. Sie können elektromagnetische Strahlung empfangen und versenden, die typischerweise im Bereich von Metern liegt. Solche Antennen sind seit langem erforscht und in der modernen Technik weit verbreitet.
Seit einigen Jahren beschäftigt sich die Forschung auch mit Antennen, welche knapp eine Milliarde Mal kleiner sind als unsere wohlbekannten Antennen am Badezimmerradio. Dabei handelt es sich um Nanostrukturen aus Metallen wie z.B. Gold, im einfachsten Fall kugelförmige Nanopartikel. Sie können ebenso elektromagnetische Strahlung empfangen und aussenden, deren Wellenlänge viel kürzer ist: sie liegt im Bereich von sichtbarem Licht, also von Nanometern. Diese Nanoantennen gelten derzeit als vielversprechend um Licht auf kleinsten Skalen jenseits der optischen Auflösung kontrollieren zu können.
Forscher der TU-Braunschweig um Prof. Philip Tinnefeld und Nachwuchsgruppenleiter Dr. Guillermo Acuna, vom Institut für Physikalische Chemie und Mitwirkende am neuen Forschungsbau LENA, haben nun einen entscheidenden Beitrag geleistet, um Eigenschaften dieser Antennen zu beschreiben, welche noch weitestgehend unerforscht sind. Dazu nutzen sie die sogenannte DNA Origami-Technik um Nanopartikel aus Gold gezielt neben Farbstoffmolekülen zu platzieren. "Diese Technik ist aus unserem Labor nicht mehr wegzudenken" erklärt Prof. Tinnefeld. "Sie erlaubt an DNA gebundene Moleküle oder Nanoteilchen, mit einer Präzision von etwa einem Nanometer zu platzieren. Es ist wie Lego, nur etwa eine Milliarde mal kleiner. Dies ermöglicht unzählige neue Anwendungen in der Nanotechnologie."
Mit Hilfe der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, für die im Jahr 2014 der Chemie-Nobelpreisvergeben wurde, haben die Forscher diese Strukturen untersucht. Die Positionen von Farbstoffmolekülen lassen sich so bis zu 40-mal genauer bestimmen als mit gewöhnlichen Lichtmikroskopen. Befindet sich jedoch ein Nanopartikel neben dem Molekül, fungiert es als Antenne und sendet stattdessen die Strahlung aus. Dadurch erscheint das Molekül an einem Ort, an dem es sich in Wirklichkeit gar nicht befindet: wie bei einer Fata Morgana (siehe Abbildung). Diesen Effekt konnten die Forscher erfolgreich zeigen und quantitativ vermessen.
"Arbeiten wie diese haben für aktuelle Verbundprojekte in der Braunschweiger Forschung große Bedeutung" erklärt Mario Raab, Erstautor der Publikation und Mitglied des LENA-nahen Grauduiertenkollogs NanoMet. "Sowohl das LENA als auch NanoMet haben das erklärte Ziel, die Nanotechnologie und die damit verbundenen Messtechniken weiterzuentwickeln. Hier haben wir beides getan und dadurch Erkenntnisse gewonnen,die für zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet entscheidend sind. In solchen Projekten wollen wir in Zukunft auch eng mit der PTB zusammenarbeiten."
Das Projekt entstand in einer internationalen Kooperation mit Prof. Fernando Stefani aus Buenos Aires, der als Mercator Fellow in einem Forschungsaufenthalt and der TU Braunschweig die Idee entwickelte. Da Prof. Tinnefeld eines der wenigen Labore auf der Welt leitet, welches alle dafür nötigen Arbeitstechniken beherrscht, konnte dieses Forscherensemble nun seine Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschift Nature Communications publizieren. Die Arbeit wurde durch einen ERC starting grant, die DFG und die Wissenschaftsallianz Braunschweig-Hannover (Forschungslinie Quanomet) gefördert.
Abbildung Schemazeichung von DNA Origami-Strukturen (links) mit drei Farbstoff-Markierungen (rot), mit und ohne Gold-Nanopartikel (gelb). Rechts daneben sind entsprechende Bilder eines Super-auflösungsmikroskops zu sehen. Das Signal der mittleren Markierung wird durch die Nähe zum Nanopartikel verschoben.
Publikation
Mario Raab, Carolin Vietz, Fernando Daniel Stefani, Guillermo Pedro Acuna & Philip Tinnefeld
Shifting molecular localization by plasmonic coupling in a single-molecule mirage
NATURE COMMUNICATIONS | 8:13966
Kontakt
Dr. Guillermo Acuna and Prof. Philip Tinnefeld
Institute for Physical and Theoretical Chemistry and
Laboratory for Emerging Nanometrology
Technische Universität Braunschweig
Hans Sommer Str. 10
D-38106 Braunschweig