Nanopartikel im Goldmantel
Eine goldene Nanohülle um kleine Glaskugeln dient als Grundlage für die gezielte Partikelherstellung.
Sie können, bestrahlt mit Infrarotlicht, im Körper eine immense Hitze abgeben, die Tumorzellen zu Leibe rückt oder winzige Signale von Krankheitserregern verstärken: Schon seit einer Weile hat die Medizin goldbasierte Nanostrukturen ins Visier genommen, um Diagnostik und Therapien zu verbessern. Die ersten Tests sind vielversprechend. Doch nun gilt es, die Sensibilität und Wirksamkeit weiter zu verbessern. Forschern der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gelang es – mit Hilfe verschiedener Spektroskopieverfahren – den Wachstumsprozess der Partikelzu analysieren und zu ermitteln, wie man sie für bestimmte Anwendungen maßschneidern kann.
Abb.: Von kleinen Goldinseln zur geschlossenen Goldhülle: Wachstumsstadien einer Partikelbeschichtung. (Bild: FAU)
Die Grundlage der Untersuchung sind mit Gold beschichtete Glaspartikel: 200 Nanometer misst ein solcher Glaspartikel und damit im Durchmesser etwa ein Hundertstel des menschlichen Haares. Die Goldbeschichtung ist mit etwa 15 bis 30 Nanometern noch einmal deutlich dünner. Partikel dieser Art können die Partikeltechnologen am Exzellenzcluster Engineering of Advanced Materials der FAU im Labor herstellen – etwa im Team von Robin Klupp Taylor, Björn Braunschweig und Wolfgang Peukert am Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik (LFG). Um Prozesse zu etablieren, mit denen sich diese Nanohüllen aus Gold mit einer ganz besonderen optischen Qualität quasi serienmäßig produzieren lassen, müssen zunächst Verfahren entwickelt werden, mit denen sich alle Veränderungen an der Partikelgrenzfläche während des Wachstumsprozesses beobachten und dokumentieren lassen.
Spektroskopische Untersuchungen gehören zwar zu den Standardverfahren der Material- und Prozessanalytik, doch sind Untersuchungen an verborgenen Grenzflächen – wie die von Partikeln in Lösung – extrem anspruchsvoll, da viele optische Methoden, mit denen solchen Grenzflächen üblicherweise zugänglich wären, unter anderem nicht die notwendige Empfindlichkeit für die wenigen Atom- beziehungsweise Molekül-Lagen an der Grenzfläche haben. Aus diesem Grund ist deren Wechselwirkung mit Licht extrem schwach ausgeprägt.
Daher haben die Forscher die Partikel während des Beschichtungsprozesses – und damit in verschiedenen Wachstumsstadien – mit ultrakurzen Laserpulsen aus infrarotem Licht bestrahlt. Dieses wird nur an der Grenzfläche in seiner Frequenz verdoppelt, wobei sich zwei Photonen des infraroten Lichts zu einem Photon blauen Lichts verbinden. Die Art und Weise, wie und mit welcher Effizienz diese Verwandlung vonstatten geht, gibt Aufschluss über die Oberfläche der Goldschicht – wie sie entsteht, wie sie wächst, ob sie rauh oder glatt ist.
Dabei haben die Forscher festgestellt, dass die Beschaffenheit der Nanohülle während des Wachstums extrem variiert – ebenso wie deren optischen Eigenschaften. Die höchste Intensität – so die Beobachtung der Wissenschaftler – erreicht der optische Effekt jeweils kurz bevor die Hülle sich an einer Stelle schließt. Die Forscher führen dies darauf zurück, dass sich zwischen den isolierten „Gold-Inseln” der Hülle starke elektrische Felder aufbauen, die wieder verschwinden, wenn die Goldinseln zu einer geschlossenen Hülle verschmelzen.
Weiterhin ist es auch entscheidend, dass es den Forschern gelungen ist, diese Analysen in situ vorzunehmen – also nicht nur nach deren Enstehung etwa unter einem Rasterelektronenmikroskop, sondern während die Nanohülle der Partikel in Lösung wächst. Mit diesen Erkenntnissen lässt sich das Wachstum der Goldhüllen gezielt steuern und gestalten, wovon sich die Forscher völlig neue Möglichkeiten zur Erzeugung und Kontrolle der Oberflächenstrukturen – auch für andere Metalle –versprechen. Damit ließen sich künftig andere Anwendungen wie neuartige Pigmente, Katalysatoren oder Lichtverstärker für photovoltaische Anwendungen herstellen und optimieren.
FAU / PH
