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 Plastik aus Holz - Röntgenuntersuchung weist Weg zu maßgeschneiderten Bauteilen auf Lignin-Basis
27.02.2020 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten
19.02.2020 | Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Im Focus: High-pressure scientists in Bayreuth discover promising material for information technology

Researchers at the University of Bayreuth have discovered an unusual material: When cooled down to two degrees Celsius, its crystal structure and electronic properties change abruptly and significantly. In this new state, the distances between iron atoms can be tailored with the help of light beams. This opens up intriguing possibilities for application in the field of information technology. The scientists have presented their discovery in the journal "Angewandte Chemie - International Edition". The new findings are the result of close cooperation with partnering facilities in Augsburg, Dresden, Hamburg, and Moscow.

The material is an unusual form of iron oxide with the formula Fe₅O₆. The researchers produced it at a pressure of 15 gigapascals in a high-pressure laboratory...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

Genomforschung für den Artenschutz - Internationale Fachtagung in Frankfurt

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Latest News

Bacteria loop-the-loop

27.02.2020 | Life Sciences

Project on microorganisms: Saci, the bio-factory

27.02.2020 | Life Sciences

New method converts carbon dioxide to methane at low temperatures

27.02.2020 | Life Sciences

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics