Nanolinsen überwinden Beugungsgrenze

Organische Moleküle formen selbstorganisiert winzige Linsen, mit denen sich das Auflösungsvermögen optischer Mikroskope steigern lässt

Pohang (Korea) – Strukturen, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr aufgelöst werden. Dieses Limit kann bisher nur mit ausgeklügelten Methoden wie der STED-Mikroskopie, die eine stimulierte Lichtemission ausnutzt, oder mit einem Rasternahfeldmikroskop (SNOM) überwunden werden. Doch nun entwickelten koreanische Physiker eine winzige Nanolinse aus organischem Material, mit denen der Blick selbst von klassischen Lichtmikroskopen im optischen Nahfeld über die Beugungsgrenze hinaus geschärft werden kann.

"Diese Nanolinsen haben – im Gegensatz zu geometrischen, optischen Linsen – eine erstaunlich kurze Nahfeld-Brennweite", schreiben Ju Young Lee und seine Kollegen vom Center for Superfunctional Materials an der Pohang University of Science and Technology. Damit erzielten sie bei ihren Versuchen eine Vergrößerung um etwa den Faktor 2,5. Dies reichte aus, um nur 220 Nanometer feine Metallstreifen aus Palladium, die sie mittels Elektronenstrahl-Lithographie auf einen Glasträger deponierten, mit einem klassischen Lichtmikroskop mit Licht einer Wellenlänge von 472 Nanometern optisch aufzulösen. Mit einer numerischen Apertur von 0,9 lag das Rayleigh-Auflösungslimit ohne Nanolinsen bei 262 und die Grenze für die Sparrow-Auflösung noch bei 249 Nanometer.

Verantwortlich für diesen Sprung über die Beugungsgrenze machen Lee und Kollegen die gekrümmte ("curvilineare") Ausbreitung der Lichtwellen innerhalb der Nanolinsen. Die plankonvexen Linse mit einem Durchmesser von knapp einem Mikrometer und einer Höhe von 220 Nanometern erreichte damit eine Brennweite von 590 Nanometern. Mit einem Brechungsindex von n=1,5 läge diese Brennweite für eine klassische, geometrische Linse dagegen bei 1300 Nanometern. Die deutlich verkürzte Brennweite verbessert die Auflösung von Lichtmikroskopen allerdings nur im optischen Nahfeld mit einem direkten Kontakt von Objekt und Nanolinse.

Für die Fertigung dieser Linsen nutzten die Wissenschaftler die Fähigkeit zur Selbstorganisation von organischen Molekülen aus. Sie wählten die Substanz Calix[4]-Hydroquinon (CHQ), ein Molekül, in dem sich vier p-Hydroquinon-Gruppen und acht Hydroxyl-Gruppen über Wasserstoffbrückenbindungen zu einem größeren Komplex zusammen lagern. Verteilt in einer Wasser-Azeton-Lösung ordneten sich die CHQ-Monomere nach und nach selbstständig zu größeren Nanostrukturen zusammen. Nun benetzten die Forscher einen Glasträger mit den eingeprägten Metallstreifen mit der CHQ-Lösung. Kontrolliert über die Temperatur ordneten sich die Moleküle zu kleinen, plankonvexen Linsen zusammen.

Lee und Kollegen sehen zahlreiche Anwendung für die relativ einfach herstellbaren Nanolinsen. "Die Linsen weisen neue Wege der optischen Bildgebung bei sehr geringen Intensitäten auf, die für das Bio-Imaging, die Nahfeld-Lihtographie, optische Datenspeicher, Solarzellen und zur spektralen Signalverstärkung nützlich sein können", so die Forscher in ihrer Veröffentlichung.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Ju Young Lee et al.: Near-field focusing and magnification through self-assembled nanoscale spherical lenses. Nature 460, 498 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature08173
• Center for Superfunctional Materials, Department of Chemistry, Pohang University of Science and Technology:
  http://csm.postech.ac.kr/ 
• SKKU Advanced Institute of Nanotechnology, Sungkyunkwan University, Suwon:
  http://www.skku.edu/eng/core/saint.html

Weiterführende Literatur:

• Merlin, R.: Radiationless electromagnetic interference: evanescent-field lenses and perfect focusing. Science 317, 927–929 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1143884
• Whitesides, G. M. & Grzybowski, B.: Self-assembly at all scales. Science 295, 2418–2421 (2002)
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1070821

AL