News: Nanopartikel im Fokus
Mikrometer große Teilchen und Moleküle haben Wissenschaftler mit optischen Pinzetten gut im Griff. Schlecht sah es bislang bei Objekten im Nanometerbereich aus. Alles nur eine Frage der Wellenlänge, meinen Forscher nun.
© (Ausschnitt)
Längst können Lichtmikroskope in punkto Auflösungsvermögen nicht mehr mit anderen Verfahren wie etwa der Elektronenmikroskopie mithalten. Denn schließlich lassen sich mit den herkömmlichen Mikroskopen in der Regel nur Strukturen abbilden, die in etwa der Größenordnung der Wellenlänge des verwendeten Lichts entsprechen – im Regelfall also bestenfalls einigen hundert Nanometern.
Doch mittlerweile kommen dem Licht ganz andere Anwendungsbereiche zu. So lassen sich mit Laserstrahlen beispielsweise präzise große Moleküle manipulieren, Gewebeproben entnehmen und die Bestandteile einer Zelle "anfassen". Dabei nutzen optische Pinzetten den Impuls der Photonen, den die Lichtquanten beim Auftreffen auf ein Objekt übertragen. Zwar ist der Lichtdruck eines einzelnen Photons sehr klein und für einen Menschen nicht spürbar, bündelt man jedoch das Laserlicht auf einen Mikrometer kleinen Punkt, so wirken hier Kräfte, welche die Gravitationskraft der Erde um ein Vielfaches übertreffen können und so auch einen Staubkorn großes Partikel festhalten können.
Zum Leidwesen von Wissenschaftlern lassen sich jedoch sehr sehr kleine Moleküle und Partikel in der Größenordnung von Nanometern mit diesen optischen Pinzetten kaum noch greifen – zumindest, wenn sie nicht aus Metall sind. Das Problem ist: Die so genannte Mie-Streuung, die für einen effizienten Impulsübertrag zwischen Photon und zu manipulierendem Teilchen sorgt, ist größenabhängig und liefert nur bei Teilchen, die in etwa so groß sind wie die Wellenlänge des Lichts, einen brauchbaren Beitrag zur Kraft. Sind die Teilchen kleiner, schwindet der Einfluss der Mie-Streuung zusehends.
Ein Ausweg aus dem Dilemma wäre, so meinten einige Forscher, die Wellenlänge des Laserlichts gerade so einzustellen, dass sie genau dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus eines Nanoteilchens entspricht, – kurzum den Laser in Resonanz zu bringen. Um das 50fache sollte sich die Kraft der Laserpinzette damit steigern lassen. Das wollten Takuya Iida und Hajime Ishihara von der Osaka University nun genau wissen, und so berechneten die beiden Physiker für ein winziges Halbleiterpartikel die durch Licht übertragene Kraft.
Dazu lösten die beiden Forscher die so genannten Maxwell'schen Gleichungen – physikalische Formeln, mit denen sich elektromagnetische Strahlung und ihre Wirkung beschreiben lässt – für den einfachsten denkbaren Fall: einen elektrischen Dipol bestehend aus einer positiven und einer negativen Ladung. Genauer gesagt, handelte es sich um ein Paar aus einem Elektron (negativ) und einem Loch (positiv), das in dem Nanometer großen Halbleiterpartikel gefangen ist.
Wie sich zeigte, lässt sich, die Kraft tatsächlich steigern, und zwar nicht nur um den Faktor 50, sondern gleich um bis zu fünf Größenordnungen – also bis auf das 10 000fache. Davon waren denn nicht nur Iida und Ishihara überrascht, auch ihr Kollege David Grier von der University of Chicago war verblüfft. "Das ist eine außerordentliche Vorhersage, die sich sicherlich im Experiment überprüfen lässt", freut sich der Wissenschaftler. Denn schließlich könnten sich Arrays optischer Pinzetten, also Anordnungen vieler solcher Laserstrahlen, etwa dazu eigenen, biologische Moleküle im großen Maßstab zu sortieren.
Doch mittlerweile kommen dem Licht ganz andere Anwendungsbereiche zu. So lassen sich mit Laserstrahlen beispielsweise präzise große Moleküle manipulieren, Gewebeproben entnehmen und die Bestandteile einer Zelle "anfassen". Dabei nutzen optische Pinzetten den Impuls der Photonen, den die Lichtquanten beim Auftreffen auf ein Objekt übertragen. Zwar ist der Lichtdruck eines einzelnen Photons sehr klein und für einen Menschen nicht spürbar, bündelt man jedoch das Laserlicht auf einen Mikrometer kleinen Punkt, so wirken hier Kräfte, welche die Gravitationskraft der Erde um ein Vielfaches übertreffen können und so auch einen Staubkorn großes Partikel festhalten können.
Zum Leidwesen von Wissenschaftlern lassen sich jedoch sehr sehr kleine Moleküle und Partikel in der Größenordnung von Nanometern mit diesen optischen Pinzetten kaum noch greifen – zumindest, wenn sie nicht aus Metall sind. Das Problem ist: Die so genannte Mie-Streuung, die für einen effizienten Impulsübertrag zwischen Photon und zu manipulierendem Teilchen sorgt, ist größenabhängig und liefert nur bei Teilchen, die in etwa so groß sind wie die Wellenlänge des Lichts, einen brauchbaren Beitrag zur Kraft. Sind die Teilchen kleiner, schwindet der Einfluss der Mie-Streuung zusehends.
Ein Ausweg aus dem Dilemma wäre, so meinten einige Forscher, die Wellenlänge des Laserlichts gerade so einzustellen, dass sie genau dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus eines Nanoteilchens entspricht, – kurzum den Laser in Resonanz zu bringen. Um das 50fache sollte sich die Kraft der Laserpinzette damit steigern lassen. Das wollten Takuya Iida und Hajime Ishihara von der Osaka University nun genau wissen, und so berechneten die beiden Physiker für ein winziges Halbleiterpartikel die durch Licht übertragene Kraft.
Dazu lösten die beiden Forscher die so genannten Maxwell'schen Gleichungen – physikalische Formeln, mit denen sich elektromagnetische Strahlung und ihre Wirkung beschreiben lässt – für den einfachsten denkbaren Fall: einen elektrischen Dipol bestehend aus einer positiven und einer negativen Ladung. Genauer gesagt, handelte es sich um ein Paar aus einem Elektron (negativ) und einem Loch (positiv), das in dem Nanometer großen Halbleiterpartikel gefangen ist.
Wie sich zeigte, lässt sich, die Kraft tatsächlich steigern, und zwar nicht nur um den Faktor 50, sondern gleich um bis zu fünf Größenordnungen – also bis auf das 10 000fache. Davon waren denn nicht nur Iida und Ishihara überrascht, auch ihr Kollege David Grier von der University of Chicago war verblüfft. "Das ist eine außerordentliche Vorhersage, die sich sicherlich im Experiment überprüfen lässt", freut sich der Wissenschaftler. Denn schließlich könnten sich Arrays optischer Pinzetten, also Anordnungen vieler solcher Laserstrahlen, etwa dazu eigenen, biologische Moleküle im großen Maßstab zu sortieren.
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