Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanotechnologie: Nanoläufer im Laserblick

22.09.2015

Ein winziger Stab aus Gold wandert über eine mit DNA präparierte Oberfläche und lässt sich dabei Schritt für Schritt verfolgen

Die Nanotechnologie lernt laufen. Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart lassen einen Nano-Goldzylinder, den sie mit DNA-Füßchen versehen haben, über eine mit DNA gespickte Oberfläche wandern.


Ein Goldzylinder mit DNA-Füßen kann über DNA-gespickte Hügel aus gefalteten DNA-Fäden klettern. Der zweite Zylinder (rot) dient als Referenzpunkt für die Beobachtung des Nanoläufers.

© MPI für Intelligente Systeme, Stuttgart

Dabei verfolgen sie die Bewegung des Nanoläufers, der kleiner ist als die optische Auflösungsgrenze, indem sie auf seiner Oberfläche Plasmonen anregen – das sind Quasiteilchen aus vielen Elektronen. Da diese Anregung den Lichtstrahl verändert, konnten sie den Nanoläufer auf diese Weise beobachten. Die Forscher wollen solche beweglichen plasmonischen Nanoobjekte vor allem nutzen, um die Wechselwirkung kleinster Teilchen mit Licht zu studieren.

Nanomaschinen, also molekülgroße, mechanische Konstrukte, könnten künftig diverse Aufgaben etwa in der Medizin, in der Informationsverarbeitung, der Chemie oder der wissenschaftlichen Forschung übernehmen – so die Szenarien der Nanotechnologie. Doch Miniaturmaschinen, die Tausende mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares, stellen Wissenschaftler vor enorme Schwierigkeiten: Zunächst bestehen die einzelnen Komponenten nur aus einigen Atomen.

Solche Bauteile lassen sich kaum gezielt bearbeiten, geschweige denn präzise zusammensetzen. Zudem müssen die Maschinen dann irgendwie mit Energie versorgt werden, und schließlich können die Forscher nicht eben nachsehen, ob ihr Gerät auch funktioniert. Die dafür nötigen Mikroskopietechniken sind aufwändig und erfordern zum Beispiel Vakuumkammern, in denen die Nanogeräte zerstört werden. Forscher um Laura Na Liu haben am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart nun einen Nanoläufer konstruiert, den sie mithilfe eines nano-optischen Effekts beobachten.

Der Körper des Nanoläufers besteht aus einem 35 Nanometer langen und zehn Nanometer dicken Goldzylinder. „Die Oberfläche des Zylinders ist mit vielen identischen DNA-Strängen gespickt, die quasi als Füße dienen“, erklärt die Projektleiterin Liu. Die DNA-Stränge stehen dabei wie die Borsten einer Flaschenbürste von dem Goldzylinder ab. „Durch sie kann der Goldzylinder Kontakt zum Untergrund herstellen und sich fortbewegen.“

Der Nanoläufer wandert über einen Teppich von DNA-Fäden

Der Laufsteg für den Goldzylinder besteht ebenfalls aus DNA, sogenannter DNA-Origami. Aus diesen gefalteten DNA-Fäden ragen kurze Stränge wie die Fasern eines Teppichs in Längsreihen senkrecht empor. Diese stehen parallel zum Zylinder und dienen als Halterungen für die Füßchen des Läufers. Die Basenkombination unterscheidet sich im DNA-Teppichs von Reihe zu Reihe. Die Stränge Jede Reihe entspricht einer Station. Zunächst ist der Läufer mit zwei Reihen verbunden, die Halterungen der anderen Reihen sind für seine Füße blockiert.

„Rollend bewegt der Läufer sich vorwärts, von Station zu Station“, so Liu. Damit er das macht, müssen die Forscher der Flüssigkeit, in welcher der Lauf stattfindet, ständig kurze, auf die DNA der einzelnen Reihen abgestimmte DNA-Schnipsel zufügen. Diese brechen dann zunächst eine Reihe von Verbindungen zwischen den Füßchen des Läufers und der DNA des Untergrunds auf und blockieren die Halterungen dieser Station. Auf der gegenüberliegenden Seite des Läufers wird wiederum eine bis dahin blockierte Reihe freigegeben – und die Füßchen des Zylinders können sich dort anheften.

„Je nach Art der Zugabe bewegt sich der Läufer in die eine oder andere Richtung“, erläutert Liu. „Die Bewegung kommt dabei wie bei natürlichen molekularen Motoren zustande: Die Flüssigkeit bewegt den Zylinder inklusive Füßchen durch thermische Bewegung hin und her“. Da die Füßchen immer nur auf einer Seite neu andocken, schreitet der Läufer langsam fort. Die Schrittlänge beträgt dabei sieben Nanometer, nicht einmal ein Hunderttausendstel der Schrittlänge einer Waldameise.

Mithilfe der Plasmonenresonanz lässt sich der Lauf des Nanozylinders verfolgen

Um den Lauf des Winzlings zu verfolgen, nutzten die Forscher einen nanooptischen Effekt namens Plasmonenresonanz. Plasmonen sind Quasiteilchen aus vielen Elektronen, die unter anderem in Metallen vorkommen und dort hin- und herschwingen. „Strahlt man spezielles Licht auf den Nanozylinder, kann dieses mit den Plasmonen im Gold wechselwirken“, erklärt Liu. „Dabei wird das Licht teilweise absorbiert – man spricht dann von Plasmonenresonanz.“ Indem die Forscher den Lichtstrahl analysieren, können sie dieses Phänomen messen.

Um aber auch festzustellen, wo genau sich der Zylinder befindet, musste das Team noch einen zweiten, unbeweglichen Nano-Goldzylinder an der Unterseite des DNA-Origamis anbringen. Dieser dient, vereinfacht gesagt, als Referenzpunkt. Gemeinsam bewirken die beiden Zylinder nämlich eine Änderung der zirkularen Polarisation des Lichtstrahls: Licht besteht aus einem schwingenden elektromagnetischen Feld. Die Polarisation entspricht der Schwingungsrichtung des Feldes; in zirkularpolarisiertem Licht dreht sich diese entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn. Wie sich die zirkulare Polarisation bei der Plasmonenresonanz ändert, verrät den Forschern die Position des Läufers.

„Auf diesem Weg konnten wir jeden einzelnen Schritt nachvollziehen. Deshalb ist der Läufer nicht nur ein bewegliches Element, sondern gibt gleichzeitig auch Auskunft über seinen Standort“, so Liu. Eine aufwändige Mikroskopie-Technik, um den plasmonischen Läufer zu beobachten, war nicht mehr notwendig. Liu sieht in ihm einen Vorreiter einer „neuen Generation von Nanomaschinen mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften“.

Mit diesem Werkzeug will die Forscherin nun sowohl die Wechselwirkung von Licht und Materie im ganz Kleinen als auch das mechanische Verhalten von Nanoteilchen weiter erforschen. Denn damit der Gold-Läufer tatsächlich irgendwann sein Ziel erreicht und diverse Aufgaben erledigt, muss er nicht nur auf DNA-Origami noch einige Schritte nach vorne machen.


Ansprechpartner

Laura Na Liu
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Telefon: +49 711 689-1838

E-Mail: laura.liu@is.mpg.de


Annette Stumpf
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Telefon: +49 711 689-3089

Fax: +49 711 689-1932

E-Mail: stumpf@is.mpg.de


Originalpublikation

Chao Zhou, Xiaoyang Duan und Na Liu

A plasmonic nanorod that walks on DNA origami

Nature Communications, 25. August 2015; DOI: 10.1038/ncomms9102

Laura Na Liu | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Wie wirksam sind Haftvermittler? Fraunhofer nutzt Flüssigkeitschromatographie zur Charakterisierung
17.10.2017 | Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF

nachricht Dem Lichtstrahl auf die Sprünge geholfen
21.07.2016 | SCHOTT AG

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Im Focus: Neutron star merger directly observed for the first time

University of Maryland researchers contribute to historic detection of gravitational waves and light created by event

On August 17, 2017, at 12:41:04 UTC, scientists made the first direct observation of a merger between two neutron stars--the dense, collapsed cores that remain...

Im Focus: Breaking: the first light from two neutron stars merging

Seven new papers describe the first-ever detection of light from a gravitational wave source. The event, caused by two neutron stars colliding and merging together, was dubbed GW170817 because it sent ripples through space-time that reached Earth on 2017 August 17. Around the world, hundreds of excited astronomers mobilized quickly and were able to observe the event using numerous telescopes, providing a wealth of new data.

Previous detections of gravitational waves have all involved the merger of two black holes, a feat that won the 2017 Nobel Prize in Physics earlier this month....

Im Focus: Topologische Isolatoren: Neuer Phasenübergang entdeckt

Physiker des HZB haben an BESSY II Materialien untersucht, die zu den topologischen Isolatoren gehören. Dabei entdeckten sie einen neuen Phasenübergang zwischen zwei unterschiedlichen topologischen Phasen. Eine dieser Phasen ist ferroelektrisch: das bedeutet, dass sich im Material spontan eine elektrische Polarisation ausbildet, die sich durch ein äußeres elektrisches Feld umschalten lässt. Dieses Ergebnis könnte neue Anwendungen wie das Schalten zwischen unterschiedlichen Leitfähigkeiten ermöglichen.

Topologische Isolatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an ihren Oberflächen Strom sehr gut leiten, während sie im Innern Isolatoren sind. Zu dieser neuen...

Im Focus: Smarte Sensoren für effiziente Prozesse

Materialfehler im Endprodukt können in vielen Industriebereichen zu frühzeitigem Versagen führen und den sicheren Gebrauch der Erzeugnisse massiv beeinträchtigen. Eine Schlüsselrolle im Rahmen der Qualitätssicherung kommt daher intelligenten, zerstörungsfreien Sensorsystemen zu, die es erlauben, Bauteile schnell und kostengünstig zu prüfen, ohne das Material selbst zu beschädigen oder die Oberfläche zu verändern. Experten des Fraunhofer IZFP in Saarbrücken präsentieren vom 7. bis 10. November 2017 auf der Blechexpo in Stuttgart zwei Exponate, die eine schnelle, zuverlässige und automatisierte Materialcharakterisierung und Fehlerbestimmung ermöglichen (Halle 5, Stand 5306).

Bei Verwendung zeitaufwändiger zerstörender Prüfverfahren zieht die Qualitätsprüfung durch die Beschädigung oder Zerstörung der Produkte enorme Kosten nach...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Intelligente Messmethoden für die Bauwerkssicherheit: Fachtagung „Messen im Bauwesen“ am 14.11.2017

17.10.2017 | Veranstaltungen

Meeresbiologe Mark E. Hay zu Gast bei den "Noblen Gesprächen" am Beutenberg Campus in Jena

16.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

17.10.2017 | Informationstechnologie

Pflanzen gegen Staunässe schützen

17.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Trends der Umweltbranche auf der Spur

17.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz