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 Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung
13.07.2018 | Fachhochschule Südwestfalen

nachricht 3D-Druck: Stützstrukturen verhindern Schwingungen bei der Nachbearbeitung dünnwandiger Bauteile
12.07.2018 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

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