Klein, aber oho:
Nanopartikel sind so winzig, dass sie eine Art Zwischenstellung
zwischen einzelnen Atomen und "normalen" Feststoffpartikeln einnehmen -
entsprechend interessant sind ihre optischen und elektronischen Eigenschaften.
In einer japanisch-chinesischen Kooperation wurde nun eine Methode entwickelt,
mit der Gold-Nanoteilchen so gezielt ausgefällt werden können, dass sich damit
farbenfrohe dreidimensionale Bilder in transparenten Materialien "malen" lassen.
Der ästhetisch-künstlerische Aspekt der neuen Technik ist aber nur ein
untergeordneter. Mit Edelmetall-Nanoteilchen dotierte Materialien sind nämlich
heiße Kandidaten für ultraschnelle optische Schaltelemente der
Optoelektronik.
Die notwendige genau definierte räumliche Verteilung der Nanopartikel innerhalb
eines Materials war bisher eine schwierige Hürde. Das Team um Jianrong Qiu hat
diese Hürde nun überwunden. Und so sieht die neue Technik im Einzelnen aus: Als
Ausgangsmaterial dient ein mit Goldoxid (Au2O3) dotiertes Silikatglas. Wird das
Glas mit einem Laser bestrahlt, entstehen winzige graue Pünktchen an den
fokussierten Stellen. Die Forscher "malten" so beispielsweise einen etwa 5 mm X
5 mm messenden Schmetterling in das Glas, dessen feine Details gestochen scharf
aufgelöst sind. Wird das Glas bei 550 °C getempert, wird das graue Bild farbig:
In Abhängigkeit von der Intensität des zuvor eingestrahlten Laserlichtes wird
der Schmetterling violett, rot oder gelb. Erneutes Bestrahlen mit dem Laser
löscht diese Farbe.
Wie das? Durch den enorm hohen Energieeintrag der kurzen Laserpulse können
Elektronen an den bestrahlten Stellen des Glases genug Energie aufnehmen, um
sich von ihren Atomkernen zu trennen. Goldionen sind in der Lage, solche freien
Elektronen einzufangen, dabei werden sie zu Goldatomen reduziert. Beim
anschließenden Erhitzen erhalten die Goldatome dann die nötige Energie, um sich
aus dem Silikat-Netzwerk zu lösen und auf Wanderschaft zu gehen. Treffen sie auf
andere Goldatome, aggregieren sie zu winzigen Klümpchen. Diese Goldnanopartikel
erscheinen farbig, weil sie Licht im sichtbaren Spektralbereich absorbieren. Die
absorbierte Wellenlänge hängt aber von der Größe der Nanopartikel ab. Und je
höher die Lichtintensität des Lasers, desto mehr reduzierte Goldatome entstehen
pro Volumeneinheit, die später als Kristallisationskeime dienen. Beim Erhitzen
entsteht eine dementsprechend größere Zahl an Nanoteilchen, die dafür aber
kleiner sind. Ein erneutes Bestrahlen mit dem Laser zerbricht die Nanopartikel
wieder in winzige Bruchstücke und Atome, das bestrahlte Areal wird wieder
transparent.
Die neue Technik könnte ein wichtiger Schritt in Richtung extrem schneller
dreidimensionaler optischer Speicher mit ultrahoher Speicherdichte sein. In
Gläsern mit hohem Gehalt an Goldionen hofft das Team außerdem, komplette
dreidimensionale Nano-Schaltkreise aus
Gold herstellen zu können.