Nanooptik – eine Technologie mit hohem Innovationspotenzial

Im Zuge der rasanten Entwicklung der Nanotechnologie hat sich auch die Nanooptik mit nicht minder großer Eigendynamik zu einer viel versprechende Zukunftstechnologie entwickelt. Zu diesem Ergebnis kam die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) anlässlich einer Expertenrunde. Danach gehören insbesondere photonische Kristalle und Kristallfasern, funktionale Nanomaterialien und die Bio-Nano-Photonik zu den künftigen Impulsgebern für Innovationen.

Photonische Kristalle sind neuartige optische Materialien, die im Hinblick auf ihr Anwendungspotenzial in der Telekommunikation auch als „Halbleiter für Licht“ bezeichnet werden. Da die typischen Gitterkonstanten jedoch in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegen, stellt die Herstellung dreidimensionaler photonischer Kristalle für den Telekommunikations- oder gar sichtbaren Spektralbereich eine technologische Herausforderung dar. Mitarbeitern der Universität Karlsruhe ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtzgemeinschaft jetzt gelungen, mit Hilfe des direkten Laserschreibens gezielt komplexe dreidimensionale Strukturen in photosensitive Materialien zu schreiben. Angaben der Wissenschaftler zufolge eröffnet das direkte Laserschreiben den Zugang zu Strukturen, die aufgrund ihrer Komplexität bisher nicht hergestellt werden konnten. Einem Unternehmen ist es bereits gelungen, neue und zugleich kompakte Superkontinuumslichtquellen auf der Basis von photonischen Kristallfasern zu entwickeln, die in der Messtechnik und Biophotonik zum Einsatz kommen sollen.

„Nanobrillen“ für den besseren Duchblick

Ähnliche Innovationspotenziale sehen Experten der GMM in der Möglichkeit, diverse Nanomaterialien mit optischen und funktionalen Effekten auszustatten. So konnten Forscher unlängst mit Hilfe von dotiertem Zinnoxid optisch transparente, leitfähige Materialien sowie nahezu weiße Infrarotreflektoren realisieren. Mittels der Sol/Gel-Technik wurde ein SiO2-Nanosol auf Glasoberflächen aufgebracht. Nach der Aushärtung entstand eine nanoporöse Beschichtung, die es gestattet, den Brechungsindex der Oberfläche an die Umgebung anzupassen.

Mit Hilfe solcher Oberflächen ist es möglich, einschichtige Breitbandentspiegelungen zu erzeugen. Zu den vielfältigen Anwendungen gehört unter anderem die Verwendung als Deckglas zur Optimierung von Solarkollektoren. Auch für die Realisierung neuartiger Brillengläser, bei denen neben der optischen Performance der Schichten auch Lebensdauer, Abriebfestigkeit der Schichten eine zentrale Rolle spielt, ist die Technologie geeignet. Auf diesem Sektor wird insbesondere vom Einsatz von Nanopartikeln in Hartlacksystemen ein hohes Potential erwartet.

Fortschritte in der Bioanalytik

Als spektakulär sind jüngste Arbeiten zu plasmonischen Effekten von Nanopartikeln zu bezeichnen. Plasmonen sind elektromagnetische Wellen, die sich an metallischen Oberflächen entlang ausbreiten und an die Grenzfläche zwischen einer dünnen Metall- und einer Polymerschicht gebunden sind. Mit den entsprechenden Nanostrukturen ist es möglich, optische Signale zu leiten und zu verarbeiten. Am Institut für Photonische Technologien der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es einem Wissenschaftlerteam jetzt gelungen, Nanopartikel aus Gold in Form von Markierungen für die Bioanalytik zu nutzen. Diese Partikel erlauben eine technisch deutlich einfachere optische Detektion im Vergleich zu Fluoreszenzverfahren und verbessern gravimetrische Nachweise signifikant in ihrer Sensitivität.

Nanotechnik erobert die Tumortherapie

Besonders viel versprechend sind die Möglichkeiten, die sich aus der optischen Mikromanipulation ergeben. Bei der Photodynamischen Therapie werden beispielsweise chemische Substanzen, die in Krebsgewebe angereichert sind, mittels Laserbestrahlung in giftige Substanzen umgesetzt und so das Gewebe lokal zerstört. Mit Hilfe von Nanopartikeln, die wiederum als Nanoantennen eingesetzt werden können, lässt sich die Auflösung enorm erhöhen. Hierbei wird die durch die so genannte Plasmonenresonanz induzierte Absorption benutzt, um mittels Laserpulsen Energie spezifisch in die Partikel einzukoppeln, ohne die Umgebung zu schädigen. Durch die Nanoantennenwirkung wird die Auflösung in erster Näherung durch die Partikelgröße bestimmt und kann damit deutlich unterhalb der Wellenlänge des eingesetzten Lichtes liegen.

Die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) fördert die Weiterentwicklung der Mikroelektronik, Feinwerktechnik und Mikrosystem- und Nanotechnologie. Als interdisziplinäre und anwendungsbezogene Plattform tragen die mehr als 8.000 Mitglieder der GMM zur Weiterentwicklung ihrer Technologiebereiche bei und bündeln Kompetenzen bei der Bearbeitung neuer Felder.