Nanopartikel und ihr Platz im Orbit

20.12.2013 - Deutschland

Münchner Physiker haben ein „Planet-Satelliten-Modell“ entwickelt, mit dem sie Nanobausteine gezielt verbinden und dreidimensional anordnen können. Ähnlich dem natürlichen Photosystem könnte das Modell in Zukunft dazu dienen, Energie zu sammeln und umzuwandeln.

Wären die Nano-Bausteine der Wissenschaftler eine Million Mal größer, so sähe es im Labor nach Weihnachtsbastelei aus: Goldene, silberne und farbig-leuchtende Kugeln in verschiedenen Größen und Stäbe in allen Längen werden für ein neu entwickeltes nanoskaliges „Planet-Satelliten-Modell“ miteinander verbunden. Im Zentrum des Modells befindet sich ein Goldpartikel als „Planet“, um den satellitenartig andere Nanopartikel aus Silber, Cadmiumselenit oder organischen Farbstoffen angeordnet sind.

Wie von Zauberhand verbinden künstliche DNA-Stränge die Satelliten ganz gezielt mit dem Planeten. Dahinter steckt die sogenannte „DNA-Origami“-Technik, auf dieTim Liedl, Physikprofessor an der LMU, und sein Team spezialisiert sind. Die Expertise zur optischen Charakterisierung der Nanosysteme stammt vom Physiklehrstuhl „Photonics and Optoelectronics“ von ProfessorJochen Feldmannan der LMU. Jochen Feldmann und Tim Liedl sind Mitglieder des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM). Jochen Feldmann ist zudem Koordinator von NIM.

Groß oder klein, nah oder fern

Eine entscheidende Besonderheit des neuen Modells ist, dass die Wissenschaftler es durch das Baukastensystem ganz einfach und kontrolliert variieren können: Die Größe des zentralen Nanopartikels, die Art und Größe der „Satelliten“ und den Abstand vom Planeten- zum Satellitenpartikel. Auf diese Weise ist es den Physikern auch möglich, ihr System für verschiedene Zwecke weiterzuentwickeln und zu optimieren.

Künstliches Photosystem

Als Satelliten dienen Metalle, Halbleiter oder auch fluoreszierende organische Moleküle. Ähnlich den Antennenmolekülen im natürlichen Photosystem können sie in Zukunft möglicherweise Lichtenergie sammeln, zu einem katalytischen Reaktionszentrum weiterleiten und dort in eine andere Energieform umwandeln. Zunächst hilft das Modell den Wissenschaftlern aber, grundlegende physikalische Effekte zu untersuchen. Dazu gehört das sogenannte Quenching, die Veränderung der Fluoreszenz eines Farbstoffmoleküls in Abhängigkeit von der Entfernung zum zentralen Goldnanopartikel.

„Das Baukasten-Prinzip und die hohe Ausbeute bei der Herstellung der Planet-Satelliten-Systeme waren die wichtigsten Faktoren, um diesen bekannten Effekt mit den neuen Methoden zuverlässig zu untersuchen“, erklärt Robert Schreiber, Erstautor der Studie.

Ein ganzer Kosmos entsteht

Darüber hinaus ist es den Wissenschaftlern gelungen, einzelne Planet-Satelliten-Einheiten zu größeren Strukturen zu verbinden und beliebig zu kombinieren. Auf diese Weise lassen sich möglicherweise in Zukunft komplexe und funktionale drei-dimensionale Nanosystemen entwickeln, die als gerichtete Energietrichter, in der Raman-Spektroskopie oder als nanoporöse Schwämme für katalytische Anwendungen eingesetzt werden könnten.

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