Harte und sensible Sensoren

Mit rund zwei Millionen Euro fördert das Bundesforschungsministerium (BMBF) eine neue Nachwuchsgruppe in der Physik an der Saar-Uni. Die Nachwuchs­gruppen­leiterin Elke Neu, die ab Februar an der Saar-Uni arbeiten wird, und ihr Team erforschen mit quanten­physikalischen Methoden neuartige, bis in den Nanometerbereich auflösende Abbildungsverfahren. Die Wissenschaftler erwarten vor allem in den Material- und Lebens­wissenschaften einen großen Nutzen dieser Methoden. Für diese Idee ist Elke Neu im BMBF-Nachwuchswettbewerb „NanoMatFutur“ ausgezeichnet worden und erhält in den nächsten vier Jahren eine Förderung im Rahmenprogramm „Werkstoff­innovationen für Industrie und Gesellschaft – WING“.

Hochauflösende Abbildungen mit einer Genauigkeit im Nanometer­bereich ermöglichen es, physikalische und biologische Systeme besser zu verstehen und neue Technologien zu erforschen. Gelingt es, Magnetfelder auf der Nanoskala zu messen und abzubilden, so lassen sich Ströme in Nano­strukturen oder in biologischen Systemen präzise untersuchen. Anwendung finden diese Abbildungs­verfahren beispielsweise in der Entwicklung neuer magnetischer Materialien und der Untersuchung elektrischer Ströme, die entstehen, wenn Zellen über den Austausch geladener Teilchen durch Ionen­kanäle miteinander kommunizieren. Ionenkanäle zu erforschen ist essentiell, da ihre Fehlfunktion Erkrankungen wie zum Beispiel Herz­rhythmus­störungen hervorrufen kann. Durch Untersuchungen von Zellmembranen können die hoch­auflösenden Verfahren auch zum Verständnis der Wirkungs­mechanismen vieler pharmazeutischer Wirkstoffe beitragen.

Für die hoch­auflösenden Abbildungs­verfahren benutzen die Forscher in der Nachwuchsgruppe von Elke Neu Diamanten, in die gezielt einzelne Stickstoff­atome als Verunreinigung eingebaut werden. Zusammen mit einer benachbarten Leerstelle im Gitter bildet diese „Verschmutzung“ mit einem fremden Atom ein so genanntes Farbzentrum. Dessen physikalische Eigenschaften erlauben es, sowohl kleinste Magnet­felder zu messen als auch die Anwesenheit einzelner Moleküle zu erspüren. Die Farb­zentren sind dabei nicht viel größer als Atome und ermöglichen daher als kleinst­mögliche Sensoren sehr hochauflösende Abbildungen.

Der Clou von Frau Neus Forschungsidee im Projekt „Multifunktionale Diamant Nano-Rastersonden für die Lebens­wissenschaften (DiaNanoRa)” ist es nun, die Fein­fühligkeit und atomare Ausdehnung der Farbzentren mit der bekannten Technologie der Raster­sonden­mikroskopie zu kombinieren. Bei einer Raster­sonden­abbildung bewegt sich eine Sonde nur wenige Nanometer über dem zu untersuchenden Objekt und tastet die Oberfläche ab. Neu ist, dass die Diamant-Sonden nicht-invasiv sind, ohne Kühlung in der normalen Lebensumgebung für Zellen funktionieren und somit bestens geeignet sind, um biologische Proben zu untersuchen.

Das Projekt DiaNanoRa (BMBF Förderkennzeichen 13N13547) an der Schnitt­stelle zwischen Physik, Material­wissenschaft und Lebens­wissenschaft ergänzt ideal die Schwerpunkte natur­wissenschaftlicher Forschung an der Saar-Uni. So stellt der Saarbrücker Professor für Quantenoptik Christoph Becher fest: „Elke Neu setzt für ihre Arbeit einzelne Quantensysteme, also einzelne Atome ein; dies ist ein perfektes Beispiel für die Anwendung von Quantentechnologien, die einen der Schwerpunkte der Saarbrücker Physik bilden. Frau Neus Projekt zeigt in vorbildlicher Weise die Quervernetzung der Quanten­technologien mit den universitären Schwerpunkten Lebens­wissenschaften und Material­forschung.“ Das Projekt hat neben der weiteren Erforschung der Messtechnik auch erste Schritte hin zur Kommerzialisierung in Zusammenarbeit mit zwei mittel­ständischen deutschen Unternehmen zum Ziel.

U. Saarland / DE