Faseroptik im Nanoformat

Lipidmembranen als Gussform für dotierte Cadmiumchlorid-Nanodrähte mit lichtleitenden Eigenschaften

Eindimensionale nanoskopische Strukturen wie Nanodrähte sind wichtige Bauteile für zukünftige optoelektronische Komponenten im Miniaturmaßstab. Schweizer Forscher haben nun eine neue Herstellungsmethode für Nanodrähte entwickelt: Sie nutzen Lipidmembranen als „Gussform“ und erhalten mit hoher Ausbeute Nanodrähte aus Cadmiumchlorid, die sich wie Lichtleiter verhalten.

„Synthesen mit Hilfe molekularer Gussformen bieten Vorteile,“ erklärt Horst Vogel, „sie sind einfach, laufen unter milden Bedingungen und liefern einzigartige, genau definierte Nanostrukturen.“ Er und sein Team wählten Phospholipid-Membranen als Gussform. Phospholipide bestehen aus einer wasserfreundlichen Kopfgruppe und wasserabweisenden Kohlenwasserstoffketten als Schwanzgruppen. In wässriger Umgebung lagern sie sich Schwanz an Schwanz zu doppelschichtigen Membranen an. Werden diese vorsichtig getrocknet, entstehen Membranstapel, deren zueinander gerichtete Kopfgruppen durch nanometerdicke Wasserfilme getrennt sind. Einige Arten von Kopfgruppen sind in der Lage, bestimmte positiv geladene Ionen selektiv zu binden. Darauf basiert die Technik der Schweizer Forscher. Sie nahmen Phospholipide mit einer Vorliebe für Cadmiumionen und stellten Membranstapel mit hoher Cadmium-Konzentration her. Diese behandelten sie mit Salzsäure-Dämpfen. Die Wasserstoffionen der Salzsäure verdrängen die Cadmiumionen von ihren Bindungsstellen an den Kopfgruppen und treiben sie in den Wasserfilm zwischen den Membranschichten. Hier fallen sie gemeinsam mit den negativ geladenen Chloridionen der Salzsäure in Form winzigster Cadmiumchlorid-Kriställchen aus, die zu eindimensionalen Drähten weiterwachsen. Warum nur in die eine Dimension? Ab einer bestimmten Kristallgröße treten die durch Anlagerung der Wasserstoffionen positiv geladenen Lipid-Kopfgruppen mit denjenigen Kristallflächen in Wechselwirkung, die reich an negativ geladenen Chloridionen sind. Hier kann der Kristall nicht weiterwachsen. Aufgrund des speziellen Kristallaufbaus ist eine der Kristallebenen jedoch durch Wassermoleküle, die ebenfalls Bestandteil des Kristallgitters sind, von diesen Wechselwirkungen abgeschirmt. Hier wächst der Kristall weiter. So entstehen bis zu 170 µm lange, extrem dünne Drähte (100 nm Durchmesser), die aus einem einzigen durchgehenden Kristall bestehen.

Wird der Salzsäuredampf mit Schwefelwasserstoff angereichert, entstehen Cadmiumchlorid-Nanodrähte, in die – fluoreszierende – Cadmiumsulfid-Nanokriställchen eingebaut sind. „Strahlen wir einen derartigen Nanodraht in der Mitte an, beobachten wir nicht nur an dieser Stelle Fluoreszenz, sondern auch an beiden Enden,“ sagt Vogel. „Der Nanodraht leitet das Licht, genau wie eine Faseroptik.“