Auf und Ab im Laser-Lift
Laserstrahl bewegt winzige Glaskügelchen mit goldener Hälfte.
Der doppelgesichtige römische Gott ist ihr Namensgeber: Janus-Partikel sind winzige Nano-Teilchen mit zwei sehr unterschiedlichen Seiten. Einem Team um Jochen Feldmann und Alexander Urban von der Uni München gelang nun die Herstellung von Janus-Partikeln, die sich dank ihrer speziellen Eigenschaften mit zuvor unerreichter Präzision in einem Laserstrahl bewegen lassen.
Abb.: Durch eine Veränderung der Laserstärke lässt sich das Janus-Teilchen wie mit einem Aufzug auf und ab bewegen. (Bild: NIM)
Fokussiert man einen Laserstrahl durch das Objektiv eines Mikroskops, so wirkt er wie eine optische Pinzette und hält Nanopartikel an dem Punkt fest, an dem das Licht gebündelt wird. Das funktioniert mithilfe von Kräften, die durch die Streuung des Lichts am Partikel hervorgerufen werden. „Diese Partikel nicht nur festzuhalten, sondern auch gezielt zu bewegen, ist für viele Anwendungen, etwa für die Analyse flüssiger Proben mithilfe von Mikrofluidik-Chips, sehr wünschenswert“, sagt Urban. „Die Nutzung von optischen Pinzetten für solche Anwendungen war bisher aber nur begrenzt möglich, weil die Position und die Bewegungsrichtung der Teilchen unzureichend kontrolliert werden konnten.“
Diese Begrenzung konnte Urbans Team nun aufheben. Der Trick: Die Wissenschaftler überzogen Nano-Glaskügelchen zur Hälfte mit einer hauchdünnen Goldschicht. Die Goldschicht ist nur fünf Nanometer dick, also etwa 20-mal dünner als Blattgold. Der Laserstrahl erwärmt die goldüberzogene Seite der so erzeugten Janus-Partikel, während die gläserne Seite kein metallischer Leiter ist und nicht auf den Laser reagiert. Schwimmt ein solches Janus-Teilchen im Wasser, entsteht durch die Erwärmung der goldenen Seite ein Temperaturgefälle, durch das sich das Teilchen nach oben zum Laser hin bewegt.
Welchen Kurs es dabei nimmt und welche Strecke es zurücklegt, bestimmt ein komplexes Zusammenspiel der Kräfte, die auf das Teilchen wirken. Die Streukräfte kontrollieren die Ausrichtung des Teilchens im Raum und halten es im Laserstrahl, während die Intensität des Lasers den Grad der Erwärmung und damit die in der dritten Dimension zurückgelegte Strecke steuert. Durch eine Veränderung der Laserstärke können die Wissenschaftler das Janus-Teilchen deshalb wie mit einem Aufzug im Laserstrahl auf und ab bewegen: Wird die Laserstärke erhöht, bewegt sich das Teilchen aufwärts, wird sie schwächer, sinkt das Teilchen wieder.
„Die neue Technik erlaubt uns eine noch nie erreichte Kontrolle über die Partikelbewegung und hat viele interessante Einsatzmöglichkeiten“, sagt Urban. In einem nächsten Schritt gelang es den Wissenschaftlern bereits, eine goldene Nano-Kugel gemeinsam mit dem neuen Janus-Teilchen im Laserstrahl einzufangen und die Entfernung zwischen den beiden Partikeln zu kontrollieren. „Das macht unseren Laser-Aufzug zu einem vielversprechenden Werkzeug sowohl für die Grundlagenforschung als auch für viele praktische Anwendungen. Denkbar wäre etwa ein Nano-Kraftmessgerät, bei dem ein Molekül zwischen die beiden Partikel gespannt und mithilfe des Lasers gemessen wird, welche Kraft man braucht um die Partikel auseinanderzuziehen“, sagt Urban.
LMU / RK
