Nanothermometer

Winzige Goldkügelchen mit einer Korona aus Halbleiternanopartikeln zeigen ein temperaturabhängiges Leuchten.

Nanoskopische Teilchen, die sich zu kontrollierten Überstrukturen arrangieren lassen, sind der Stoff, aus dem sich zukünftige „intelligente“ Materialien mit neuen Funktionalitäten herstellen lassen könnten. Amerikanische Forscher von der University of Michigan und der Ohio University haben jetzt ein „Nanothermometer“ entwickelt, das auf einem System aus zwei verschiedenen Arten von Nanopartikeln basiert.

Und so sieht das Thermometer aus: Zentraler Bestandteil der Überstruktur sind etwa 20 nm kleine runde Goldpartikel. Auf die Oberfläche diese Partikel knüpfte die Forschergruppe um Nicholas A. Kotov eine Vielzahl noch winzigerer Kügelchen (Durchmesser 3,7 nm) aus dem Halbleitermaterial Cadmiumtellurid. Sie sind über molekulare „Federn“ aus Polyethylenglycol-Ketten mit dem Goldkern verbunden und ordnen sich zu einer Art Korona an. Bestrahlt man diese Nanostrukturen mit Laserlicht, so wird das Cadmiumtellurid zum Leuchten angeregt. Das Licht gibt seine Energie an ein Elektron-Loch-Paar des Halbleiters ab, das oszilliert. Das Elektron tritt dabei in ein Leitungsband genanntes Energieniveau über, das „Loch“ bleibt im Valenzband. Das Energiepaket des Elektron-Loch-Paares nennt man Exciton. Wenn sich ein Elektron und ein Loch wieder vereinigen, wird die Energie in Form von Lumineszenz wieder frei, das Halbleiterpartikel leuchtet.

Das Goldnanopartikel als Metall verfügt dagegen über frei bewegliche Leitungselektronen, die das Kristallgitter in Form einer „Elektronenwolke“ umhüllen. Ein externes elektromagnetisches Feld, etwa in Form eines Excitons, kann diese Wolke in Schwingungen versetzen. Das Schwingungsenergiepaket nennt man Plasmon. Das Gold-Cadmiumtellurid-Nanopartikelsystem wurde so abgestimmt, dass die Energien der Korona-Excitonen und der Kern-Plasmonen eine sehr ähnliche Größe haben. Ist dies der Fall, können Exciton und Plasmon miteinander wechselwirken (Resonanz): Die Lumineszenz der Korona wird deutlich verstärkt. Wie groß dieser Effekt ist, hängt vom Abstand zwischen den Koronapartikeln und dem zentralen Goldpartikel ab, also der Federlänge – und die wiederum ist temperaturabhängig. Bei Erwärmung dehnen sich die Federn aus, der Abstand zwischen Kern und Korona nimmt zu, das Leuchten nimmt ab. Wird wieder abgekühlt, ziehen sich die Federn zusammen, die Korona rückt an den Kern, das Leuchten wird wieder stärker.

„Unser Nanopartikelsystem ist ein Beispiel für eine nanoskopische Überstruktur, die sich als Antwort auf einen äußeren Reiz, hier die Temperatur, reversibel verändert“, sagt Kotov. „Die Kopplung mit einer Plasmon-Exciton-Wechselwirkung macht diese Antwort als sehr empfindliches optisches Signal sichtbar – ein Prinzip, das die Basis für eine neue Familie von Sensoren und optoelektronischen Bauteilen bilden könnte.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Jaebeom Lee, Alexander O. Govorov, Nicholas A. Kotov, Nanoparticle Assemblies with Molecular Springs: A Nanoscale Thermometer, Angewandte Chemie (18. Oktober 2005).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200501264 
• Nicholas A. Kotov, University of Michigan, Ann Arbor (USA):
  http://www.engin.umich.edu/dept/cheme/people/kotov.html 
• Zeitschrift Angewandte Chemie:
  http://www.angewandte.de 
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