Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neues Mikroskop für Nanoteilchen

24.06.2015

LMU/MPQ-Wissenschaftler können mit einem neuartigen Mikroskop die Details einzelner Nanopartikel abbilden.

Materialien aus Nanopartikeln spielen heute in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine große Rolle. Entsprechend wichtig ist es, sowohl ihre äußere Form als auch ihre optischen und elektronischen Eigenschaften genau zu kennen und zu charakterisieren. Konventionelle optische Mikroskope können dies nicht leisten, denn die Partikelgröße – einige zig Nanometer – liegt weit unterhalb der Auflösungsgrenze von rund 400 nm.


Anschauliche Darstellung des neuen Verfahrens zur Mikroskopie von Nanoteilchen.

Grafik: Christoph Hohmann/NIM

Daher lässt sich z.B. auf die Form der Partikel nur aus deren spektralen Eigenschaften schließen. Da die Signale bei der Wechselwirkung von Licht mit einzelnen Nanoteilchen im Allgemeinen extrem schwach sind, wurden solche Untersuchungen bislang meist an Ensembles aus Tausenden von Partikeln durchgeführt.

Nun hat ein Team von Wissenschaftlern aus der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch (Direktor am MPQ und Lehrstuhl für Experimentalphysik an der LMU München) eine Methode entwickelt, die Signale mit Hilfe eines optischen Resonators um mehr als das 1000fache zu verstärken und gleichzeitig fast die räumliche Auflösung eines direkt abbildenden Mikroskops zu erzielen.

Die Möglichkeit, erstmals die optischen Eigenschaften eines einzelnen Nanopartikels oder Makromoleküls zu untersuchen, ist für viele Bereiche der Biologie, Chemie oder auch Nanotechnik von großem Interesse (Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms8249, 24. Juni 2015).

Spektroskopische Messungen an großen Ensembles von Nanoteilchen haben den Nachteil, dass die individuellen Unterschiede in Form und molekularer Zusammensetzung dabei verwischt werden. Deshalb interessiert man sich dafür, die einzelnen Teilchen selbst genauer zu untersuchen. „Unser Ansatz besteht darin, dass wir das Licht, das der Abbildung dient, in einem Resonator zig-tausendmal umlaufen lassen.

Dadurch erhöht sich die Wechselwirkung zwischen Teilchen und Lichtfeld, und das Signal ist leicht zu messen“, erklärt Dr. David Hunger, einer der Wissenschaftler am Experiment. „Bei einem normalen Mikroskop betrüge das Signal weniger als ein Millionstel der Eingangsleistung, und wäre nicht ohne weiteres messbar. Durch den Resonator wird das Signal nun ca. 50 000fach verstärkt.“

In dem von David Hunger und seinem Team aufgebauten Mikroskop wird die eine Seite des Resonators von einer Spiegelfläche gebildet, die gleichzeitig als Träger der zu untersuchenden Nanopartikel dient. Das Gegenstück ist ein sehr stark konkav gekrümmter Spiegel auf der Endfläche einer Glasfaser. Durch diese Faser wird auch das Laserlicht in den Resonator eingekoppelt.

Der Trägerspiegel wird Punkt für Punkt gegenüber der Faserspitze so verschoben, dass die einzelnen Partikel nach und nach in deren Fokus kommen. Dabei wird der Abstand zwischen den beiden Spiegeln stets so nachjustiert, dass die Resonanzbedingungen für das Auftreten von Schwingungsmoden erfüllt sind, das erfordert eine Genauigkeit im Pikometerbereich.

Für ihre ersten Messungen verwendeten die Wissenschaftler Goldkügelchen mit einem Durchmesser von 40 Nanometern. „Die Goldpartikel sind gewissermaßen unser Referenzsystem, da wir hier die Eigenschaften auch genau berechnen und somit die Validität unserer Messungen prüfen können“, meint David Hunger. „Da wir die optischen Eigenschaften des Messapparates sehr genau kennen, können wir aus den gemessenen Transmissionssignalen die optischen Eigenschaften der einzelnen Teilchen quantitativ bestimmen.“

Verglichen mit anderen Verfahren, die auch auf der direkten Signalverstärkung beruhen, ist das Lichtfeld auf einen sehr kleinen Raum begrenzt, sodass bei Nutzung der Grundmode eine räumliche Auflösung von 2 Mikrometern erreicht wird. Durch Hinzunahme der höheren Moden konnten die Wissenschaftler das Auflösungsvermögen sogar auf rund 800 Nanometer steigern.

Noch aussagekräftiger wird das Verfahren, wenn sowohl die Absorptionseigenschaften als auch die Polarisierbarkeit eines einzelnen Partikels bestimmt werden. Das ist insbesondere dann interessant, wenn die untersuchten Partikel nicht kugelförmig (d.h. eine sphärische Symmetrie haben), sondern z.B. länglich sind. Dann hängen die entsprechenden Größen nämlich davon ab, wie die Polarisation des Laserlichtes relativ zur Richtung der Symmetrieachsen des Objektes orientiert ist.

„In unserem Experiment verwenden wir Nanostäbchen (34 x 25 x 25 nm hoch 3) aus Gold und schauen uns an, wie sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Polarisation verschiebt. Ist die Polarisation parallel zur Stäbchenachse orientiert, dann verschiebt sich die Resonanz stärker als wenn sie orthogonal dazu ist, so dass sich zwei Resonanzfrequenzen für die beiden Polarisationsrichtungen ergeben“, erklärt Matthias Mader, Doktorand am Experiment. „Diese Doppelbrechung können wir nun sehr genau vermessen. Sie ist ein empfindlicher Indikator für die Form und Orientierung des Teilchens.“

„Als Anwendung unserer Methode könnten wir uns vorstellen, in Zukunft die zeitliche Dynamik von Makromolekülen zu untersuchen, wie z.B. die Faltungsdynamik von Proteinen“, meint David Hunger. „Insgesamt sehen wir ein großes Potential – von der Charakterisierung von Nanomaterialien und biologischen Nanosystemen bis hin zur Spektroskopie von Quanten-Emittern.“ Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:

Matthias Mader, Jakob Reichel, Theodor W. Hänsch, and David Hunger
A Scanning Cavity Microscope
Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms8249, 24 June 2015

Kontakt:

Dr. David Hunger
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, und
Ludwig-Maximilians-Universität München
Schellingstr. 4 /III, 80799 München
Telefon: +49 (0)89 / 21 80 -3937
E-Mail: david.hunger@physik.lmu.de

Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Professor für Experimentalphysik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Str. 1
85748 Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -712
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching b. München
Telefon: +49 (0)89 / 32 905 -213
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie