Nanooptik – technische Herausforderung mit hohem Innovationspotenzial

Zu diesem Resümee gelangten die Teilnehmer eines Workshops zum Thema „Nanooptik – Kleine Dimension, große Wirkung“, zu dem die VDE/VDI-Gesellschaft Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) nach Jena eingeladen hatte. Die Bandbreite der Themen reichte von photonischen Kristallen und Kristallfasern über funktionale Nanomaterialien über nanostrukturierte Oberflächen bis hin zur Bio-Nano-Photonik.

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.

Oberflächen mit flexiblem Brechungsindex

Neuigkeiten kommen auch aus der Forschung der Merck KGaA. Im Team von Monika Kursawe ist es gelungen, diverse Nanomaterialien mit optischen und funktionalen Effekten auszustatten. Unter Verwendung von dotiertem Zinnoxid ließen sich beispielsweise optisch transparente, leitfähige Materialien oder nahezu weiße Infrarotreflektoren realisieren. „Für großflächige Beschichtungen sind durch nanostrukturierte Materialien ebenfalls Anwendungsvorteile erzielbar“, erläutert Kursawe. Mittels Sol/Gel-Verfahren habe man ein SiO2-Nanosol auf Glasoberflächen aufgebracht. Nach einer gezielt ausgeführten Aushärtung sei eine nanoporöse Beschichtung entstanden, die den Brechungsindex der Oberfläche an die Umgebung anpassen könne. Damit sei es möglich, einschichtige Breitbandentspiegelungen zu erzeugen. Eine der vielfältigen Anwendungen sei die Verwendung als Deckglas in Solarkollektoren.

Empfindlichere Analytik mit einer Spur von Gold

Noch spektakulärer sind jüngste Arbeiten zu plasmonischen Effekten von Nanopartikeln. Die Plasmonik nützt das Phänomen der so genannte Oberflächenplasmonen. Das 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 Wolfgang Fritzsche und seinen Kollegen 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“, erläutert Fritzsche.

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. Dabei 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.