Fata Morgana macht Unsichtbares sichtbar: Leipziger Forscher durchbrechen Grenze in der Mikroskopie

Klein, kleiner, am kleinsten ... Doch was kommt danach? Können wir den Mikrokosmos bis ins Unendliche erforschen, oder sind uns Grenzen gesetzt? Bisher sind Forscher bei der optischen Betrachtung immer kleinerer Strukturen an ihre Grenzen gestoßen. Bei Mikroskopen jedenfalls gab es bisher eine optische Auflösungsgrenze. Die aber wurde jetzt von Leipziger Wissenschaftlern durchbrochen.

Markus Selmke und Marco Braun sind Doktoranden der Universität Leipzig. Den beiden Wissenschaftlern ist ein Durchbruch bei der Erforschung neuartiger Mikroskopietechnik gelungen. Selmke und Braun, Mitglieder der Forschergruppe 877 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) bzw. der Graduiertenschule BuildMoNa, haben die Grundlagen für das Aufspüren sogenannter heißer Nanoteilchen gelegt.

Ihre neue Mikroskopietechnik ermöglicht es, diese winzigen Teilchen unterhalb der optischen Auflösungsgrenze sichtbar zu machen, indem man sie mit einem Laser leicht aufheizt. In dem umgebenden Material entsteht dabei eine Art Fata Morgana, die dann mit Hilfe eines zweiten Lasers genau verfolgt werden kann. Diese sogenannte photothermische Mikroskopie an einzelnen Goldnanopartikeln eröffnet ein weites Feld neuer Anwendungen von der Chemie, über die optische Datenverarbeitung bis hin zur Tumortherapie.Mit den erhitzten Teilchen wäre es zum Beispiel möglich, Krebszellen gezielt abzutöten. Die beiden Doktoranden haben ihre Forschungsergebnisse in dem renommierten Journal “ACS Nano” veröffentlicht. Die photothermische Mikroskopie nutzt kleinste Mengen an Wärme, die einzelne Moleküle oder Nanopartikel nach der Absorption von Licht an ihre Umgebung abgeben. “Die Wärme erzeugt eine winzige Linse, eine Nanolinse, wie wir durch unsere Messungen und den Vergleich mit einer von uns entwickelten präzisen Theorie nachgewiesen haben”, erläutert Markus Selmke.

Den Forschern ist es damit nicht nur möglich, einzelne absorbierende Nanopartikel genau in ihren optischen Eigenschaften zu vermessen, sie können vielmehr auch die Temperaturerhöhung in der Umgebung der Partikel genau kontrollieren. “Damit wissen wir, wie sich gezielt Materialien auf wenigen Nanometern thermisch verändern lassen oder wie wir kleinste Partikel und Moleküle mit Hilfe von Wärme vorantreiben können”, erklärt Braun. Das funktioniere so ähnlich wie bei der bekannten Lichtmühle.

Braun ist Doktorand der Graduiertenschule BuildMoNa und beschäftigt sich mit der Anwendung dieser Nanoheizquellen für Molekülfallen (Moleküle haben die Eigenschaft, automatisch von einem wärmeren in einen kühleren Bereich u wandern, Anm. d. Red.). Selmke arbeitet an einem Projekt innerhalb der sächsischen Forschergruppe 877, die seit dem vergangenen Jahr von der DFG für weitere drei Jahre gefördert wird.

“Beide Doktoranden haben sich wunderbar ergänzt und so Theorie und Experiment mit unglaublicher Genauigkeit zusammengeführt”, sagt Prof. Cichos vom Institut für Experimentelle Physik I. Er ist Sprecher der Forschergruppe. Eine zweite Publikation zu diesem Thema sei bereits von dem Fachblatt “Optics Express” zur Veröffentlichung angenommen worden. Die Forscher hoffen, damit dem noch jungen innovativen Forschungsgebiet der “Heißen Nanopartikel und Nanostrukturen” einen entscheidenden Anschub gegeben zu haben.

Nanopartikel oder Nanoteilchen bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt. Ein Nanometer entspricht 0,000000001 Meter = 1 Milliardstel Meter. Die Vorsilbe “nano” leitet sich aus dem Griechischen “nanos” für “Zwerg” oder “zwergenhaft” ab.