Nanowendeltreppen geben Licht den richtigen Dreh
DNA-Origami: maßgeschneiderte optische Materialien aus synthetischen Doppelhelizes.
Als vor einigen Jahren die Technik des DNA-Origami entdeckt wurde, war die Begeisterung groß. Mit dieser Technik konnten die Wissenschaftler gezielt Nanoteilchen mit definierter Form und Größe bauen. Doch echte Anwendungsmöglichkeiten, wie etwas Nanopinzetten, schienen bisher in weiter Ferne zu liegen. Einem internationalen Team unter der Führung von Tim Liedl, Ludwig-Maximilians-Universität München und Friedrich Simmel, Technische Universität München, gelang es nun, aus DNA-Bausteinen optisch aktive Nanoteilchen zu bauen, die sich für die gezielte Modifikation von Licht nutzen lassen.
Abb.: Rechts- und linksgängige Nano-Wendeltreppen modifizieren zirkular polarisiertes Licht unterschiedlich. (Bild: T. Liedl, LMU)
Die Kopplung von Licht und Nanostrukturen könnte helfen, optische Sensoren für Medizin und Umwelttechnik um ein Vielfaches kleiner und empfindlicher zu machen. Doch, im Vergleich zu den nur wenige Nanometer großen Nanostrukturen, ist eine Lichtwelle mit ihrer Wellenlänge zwischen 400 und 800 Nanometern geradezu riesig. Wirken kleinste Strukturen aber in einer ganz bestimmten Art und Weise zusammen, können theoretisch auch kleine Objekte sehr gut mit Licht in Wechselwirkung treten. Mit herkömmlichen Methoden war es aber nicht möglich, solche dreidimensionalen Strukturen mit Nanometer-Präzision in genügender Menge und Reinheit herzustellen.
„Mit dem DNA-Origami haben wir nun eine Methode gefunden, die alle diese Anforderungen erfüllt. Sie erlaubt es uns, die dreidimensionale Form des entstehenden Objekts auf den Nanometer genau vorherzubestimmen“, sagt Friedrich Simmel, Inhaber des Lehrstuhls für Biomolekulare Systeme und Bionanotechnologie an der TUM. „Allein programmiert durch die Abfolge der Grundbausteine, falten sie sich die Nanobausteine von alleine zu den gewünschten Strukturen.“ Dem Team gelang es, Nanowendeltreppen mit einer Stockwerkshöhe von 57 und einen Durchmesser von 34 Nanometern herzustellen, an die in regelmäßigen Abständen Goldpartikel mit einem Durchmesser von 10 Nanometern angehängt sind.
An der Oberfläche der Goldpartikel reagieren die Elektronen mit dem elektromagnetischen Feld des Lichts. Der geringe Abstand der Partikel sorgt dabei dafür, dass die Goldpartikel eines DNA-Strangs zusammenwirken und die Wechselwirkungen um ein Vielfaches verstärken. Alexander Govorov, theoretischer Physiker an der Ohio University in Athens hatte vorausgesagt, der Effekt müsse von Abstand, Größe und Beschaffenheit der Metallpartikel abhängen. Mit Hilfe der DNA-Origami-Methode bauten die Münchener Physiker daher Nanostrukturen auf, bei denen sie diese Parameter variierten.
Die Ergebnisse dieser Experimenten bestätigten die Voraussagen ihrer Kollegen voll und ganz: Wässrige Lösungen von Nanowendeltreppen mit Rechts- und mit Linksgewinde unterscheiden sich sichtbar in ihrer Wechselwirkung mit zirkular polarisiertem Licht. Wendeltreppen mit größeren Partikeln zeigen eine deutlich stärkere optische Antwort als solche mit kleineren. Großen Einfluss hat auch die chemische Zusammensetzung der Partikel: Überzogen die Physiker die Goldpartikel mit einer zusätzlichen Silberschicht, so verschob sich die optische Resonanz vom roten in den blauen Bereich.
Im Zusammenspiel zwischen den theoretischen Berechnungen und den Möglichkeiten des DNA-Origami sind die Wissenschaftler nunmehr in der Lage nano-optische Materialien mit genau spezifizierbaren Eigenschaften herzustellen. Die Forscher wollen jetzt untersuchen, ob sie mit dieser Methode auch den Brechungsindex der von ihnen hergestellten Materialien beeinflussen können. Materialien mit negativem Brechungsindex lassen sich zum Beispiel für die Entwicklung neuartiger optischer Linsensysteme nutzen, den Superlinsen.
TUM / OD
