Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

"Klar wie ein Kristall" - Bayreuther Physiker machen komplexe molekulare Strukturen sichtbar

21.12.2009
Bei der Aufklärung der Strukturen von transparenten Festkörpern sind Physiker der Universität Bayreuth gemeinsam mit russischen Partnern einen bedeutenden Schritt vorangekommen.

Ein von ihnen entwickeltes, auf der Einzelmolekülspektroskopie beruhendes Verfahren ist imstande, die Strukturen eines Festkörpers, z.B. eines polykristallinen Materials, unter dem Mikroskop sichtbar zu machen. Die Proben des Festkörpers werden "klar wie ein Kristall" - prinzipiell bis hinunter zu molekularen Strukturen.

Mit dem Mikroskop in den Kosmos der Moleküle vorzudringen und die Strukturen von Festkörpern bis in den molekularen Bereich hinein sichtbar zu machen - auf dieses ehrgeizige Ziel richten sich weltweit zahlreiche Forschungsarbeiten, seit Ernst Abbe vor mehr als 130 Jahren nachgewiesen hat, dass herkömmliche Mikroskope dazu nicht imstande sind.

Effekte der Lichtbeugung begrenzen die Auflösung dieser Mikroskope so stark, dass Abstände, die kleiner sind als eine halbe Lichtwellenlänge, nicht mehr erfasst werden. Die Lichtwellenlänge im sichtbaren Bereich beträgt ca. 500 Nanometer. Strukturen im molekularen Bereich entziehen sich dann dem Blick des Forschers durch das Mikroskop. In den letzten zehn Jahren sind jedoch verschiedenartige Verfahren entwickelt worden, um diese Beschränkung zu umgehen.

Bei der Aufklärung der Strukturen von transparenten Festkörpern sind Physiker der Universität Bayreuth jetzt einen bedeutenden Schritt vorangekommen. Professor Dr. Jürgen Köhler (Lehrstuhl Experimentalphysik IV) und Professor Dr. Lothar Kador (Bayreuther Institut für Makromolekülforschung) haben gemeinsam mit einem Forscherteam des Instituts für Spektroskopie an der Russischen Akademie der Wissenschaften ein neues Verfahren entwickelt, das auf der Einzelmolekülspektroskopie beruht. Es verwendet eine avancierte Lasertechnik in Kombination mit einer außerordentlich leistungsfähigen Software zur Speicherung und Weiterverarbeitung von Bilddaten. Dadurch lassen sich die Strukturen eines Festkörpers, z.B. eines polykristallinen Materials, unter dem Mikroskop sichtbar machen. Die Proben des Festkörpers werden "klar wie ein Kristall" - prinzipiell bis hinunter zu molekularen Strukturen, die weit unter der von Abbe definierten Beugungsgrenze liegen. Die Forschungsarbeiten, die diese Erkenntnisse ermöglicht haben, sind insbesondere von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Russischen Stiftung für Grundlagenforschung gefördert worden. Eine detaillierte Beschreibung ist kürzlich in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" erschienen.

Farbstoffmoleküle als "Sonden" für molekulare Feinstrukturen

Das neue Verfahren beruht auf der Idee, fluoreszierende Farbstoffmoleküle als "Sonden" einzusetzen, um hochkomplexe Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze aufzuklären. Dieser Ansatz bildet seit zehn Jahren bereits die Grundlage für innovative mikroskopische Verfahren in den Biowissenschaften. Die Bayreuther Physiker haben ihn jetzt auf die Materialwissenschaften angewendet. Dabei wurden nahezu 300.000 Moleküle des Farbstoffs Terrylen in einen organischen Molekülkristall eingelagert. Ausgangspunkt für deren spektroskopische Untersuchung sind die Phänomene der Absorption und Fluoreszenz. Jedes Farbstoffmolekül kann von einem Laserstrahl in einen energetisch angeregten Zustand versetzt werden. Dabei absorbiert es Licht in einem bestimmten Frequenzbereich, dem sog. Absorptionsspektrum. Unmittelbar nach der Absorption fällt das Molekül in einen energieärmeren Zustand zurück und sendet Licht aus: Das Farbstoffmolekül fluoresziert. Beim Fluoreszieren erscheint das Molekül unter dem Mikroskop als eine punktförmige Lichtquelle. Indem der Schwerpunkt der Lichtquelle berechnet wird, lässt sich das einzelne Molekül mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern lokalisieren.

Hochselektive Anregung von Einzelmolekülen bei tiefen Temperaturen

Bei extrem tiefen Temperaturen - und nur dort - haben die Farbstoffmoleküle die Eigenschaft, dass ihre Absorptionsspektren extrem schmal sind und sich nicht überlappen. Unter dieser Voraussetzung lassen sich auch ihre Fluoreszenzsignale unabhängig voneinander anregen. Deshalb kühlen die Bayreuther Physiker die Probe des Kristalls, die mithilfe des eingelagerten Farbstoffes untersucht werden soll, bis auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt ( -273 Grad Celsius) ab. Für die spektroskopische Untersuchung verwenden sie einen sehr schmalbandigen Laser, einen sog. Ein-Moden-Laser. Dieser Laser wird nacheinander auf unterschiedliche Frequenzen eingestellt. Zu jedem Zeitpunkt regt er nur einige wenige der rund 300.000 Farbstoffmoleküle an; nämlich nur diejenigen Moleküle, deren Absorptionsspektrum der Frequenz des Laserstrahls entspricht. Folglich fluoreszieren zu jedem Zeitpunkt nur diese wenigen Moleküle; von benachbarten Molekülen gehen keine störenden Signale aus. Wenn die Konzentration des Farbstoffes richtig gewählt wird, sind die gleichzeitig fluoreszierenden Moleküle stets weiter als die Beugungsgrenze voneinander entfernt und können getrennt detektiert werden.

Von Fluoreszenzbildern zur mikroskopischen Nanodiagnostik

Mit einer speziellen Kamera werden die von den Einzelmolekülen ausgehenden Fluoreszenzsignale nacheinander aufgenommen. Sie werden gespeichert und liefern in Verbindung mit einer leistungsfähigen Software ein Gesamtbild, das sich aus einer Vielzahl kleiner Bildpunkte zusammensetzt: nämlich aus den Fluoreszenzbildern, die die räumlichen Positionen der Farbstoffmoleküle darstellen. Jetzt werden Strukturen des Festkörpers, wie z.B. feine linienförmige Risse, unter dem Mikroskop klar erkennbar. Die Beugungsgrenze ist überwunden.

Titelaufnahme:

Andrei V. Naumov, Alexey A. Gorshelev, Yury G. Vainer, Lothar Kador, Jürgen Köhler: Far-Field Nanodiagnostics of Solids with Visible Light by Spectrally Selective Imaging,
in: Angewandte Chemie International Edition, Volume 48, Issue 51, pp. 9747-9750
DOI Bookmark: http://dx.doi.org/10.1002/anie.200905101
Kontaktadresse für weitere Informationen:
Professor Dr. Jürgen Köhler
Lehrstuhl Experimentalphysik IV
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Telefon: (+49) 921-55-4001 / Fax: (+49) 921-55-4002
E-Mail: juergen.koehler@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | idw
Weitere Informationen:
http://www.ep4.phy.uni-bayreuth.de
http://www.uni-bayreuth.de/blick-in-die-forschung/20-2009.pdf

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

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: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Geothermie: Den Sommer im Winter ernten

18.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Kompositmaterial für die Wasseraufbereitung

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht

18.01.2017 | Informationstechnologie