Nobelpreise, ultraschnelle Kameras und billige Solarzellen

Für das weite Forschungsfeld rund um Optik und Photonik war 2014 ein überaus dynamisches Jahr. Von der Mikroskopie über vielversprechende Ansätze zu leistungs­fähigeren Solarzellen und Leuchtdioden bis hin zu extrem schnellen Kameras standen nicht nur neue Forschungs­ergebnisse im Mittelpunkt des Interesses. Mit gleich zwei Auszeich­nungen dominierten optische Technologien die Nobelpreis-Vergabe dieses Jahres in Stockholm.

Der deutsche Physiker Stefan Hell vom MPI für biophysi­kalische Chemie in Göttingen erhielt zusammen mit den US-Amerikanern Eric Betzig und William E. Moerner den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung hochauf­lösender Fluoreszenz­mikroskopie. Bereits im Jahr 2000 entwickelte Hell die Stimulated-Emission-Depletion-Mikroskopie (STED), eine Methode, die eine Auflösung weit unterhalb des klassischen Beugungs­limits und damit prinzi­piell die Beobachtung molekularer Prozesse erlaubte. Hell, der ebenfalls dieses Jahr mit dem renommierten Kavli-Preis geehrt wurde, gilt damit als der Wegbereiter der Nano­skopie mit Licht­mikroskopen.

Den Nobelpreis für Physik sicherten 2014 die japanischen Wissen­schaftler Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura für die Entwicklung der blauen Leucht­diode. Ihnen gelang es 1992 auf der Basis des Verbindungs­halbleiters Gallium­nitrid die erste LED mit blauem Licht zu bauen. Erst durch diese wurden über zusätzliche Kompo­nenten auch Weiß­licht emittierende LED-Leuchten möglich, die die Basis für die heute exponen­tiell zunehmende Verbreitung von LED in der Raum­beleuch­tung legten. Seitdem steigt die Licht­ausbeute immer besserer LED stetig. Weitere Verbes­serungen sind zu erwarten wie eine im Februar 2014 präsentierte rote LED aus nur einem Faden eines Poly­thiopens, entwickelt an der Universität Pierre und Marie Curie in Paris, belegte.

Milliarden und Billionen Bilder pro Sekunde

Ob die Erfindung extrem schneller Hochgeschwindig­keitskameras mit der sogenannten Streak-Technik in Zukunft nobel­preis­würdig sein könnte, lässt sich heute noch nicht absehen. Doch entstanden 2014 wesentliche Verbes­serungen dieser Aufnahme­technologie, bei denen bisher pro Messung nur ein einziger Bildpunkt entstand und viele wieder­holende Messungen für ein ganzes Bild nötig waren. So optimierten Lihong Wang und seine Kollegen vom Optical Imaging Labora­tory an der Washington University in St. Louis eine Streak-Kamera, die mit nur einem Laserpuls direkt die Bilddaten für eine zweidimen­sionale Aufnahme lieferte. Kernstück dieser „compressed ultrafast photography“ war ein Modul aus gut einer Million winziger Spiegel mit jeweils nur sieben Mikro­metern Kantenlänge. Auf diese Mikro­spiegel fiel der Laserpuls, nachdem er vom zu unter­suchenden Objekt reflektiert wurde. Dabei entstanden zahlreiche weitere Reflexionen, die die Grundlage für das zweidimen­sionale Bild legten. Dank dieses Erweiterung konnten Prozesse mit bis zu hundert Milliarden Bildern pro Sekunde gefilmt werden.

Noch schneller war eine Aufnahmetechnik, die Keisuke Goda und Kollegen von der chemischen Fakultät der Universität Tokyo entwickelt hatten. Ihr Prototyp ihrer Hoch­geschwin­digkeits­kamera – kurz STAMP (engl. Sequentially timed all-optical mapping photography) schoss mit Strahl­teilern, Spiegeln und Diffrak­tions­gitter bis zu 4,4 Billionen Bilder pro Sekunde und trägt derzeit den Titel als schnellste Kamera der Welt. Auch mit STAMP ließen sich direkt zweidimen­sionale Bilder mit einer Auflösung von 450 auf 450 Bildpunkten gewinnen. Diese Fortschritte ebnen den Weg zu einer neuen „Femto­foto­grafie“, die genauere Einblicke in viele schnelle Prozesse in der Material­forschung und biologischer Vorgänge eröffnen könnte.

Die Schnelligkeit optischer Prozesse spielt auch bei der Übertragung digitaler Daten eine zentrale Rolle. An der Hochschule Harz in Wernigerode schaffte es das Team um Ulrich Fischer-Hirchert mit einem Wellen­längen­multi­plex-Verfahren, 8,26 Gbit/s in einer optischen Polymerfaser – eine mögliche Alter­native zu Glasfasern – zu übertragen und verdoppelten damit den bestehenden Rekord. Noch spannender war ein Ansatz von Howard Milchberg und seine Kollegen von der University of Maryland, die mit ihrem Datenexperiment gänzlich auf Glasfaser­kabel verzichteten. Mit Hilfe kurzer Pulse eines Titan-Saphir-Lasers manipulierten sie Luft derart, dass sie Licht wie ein Glasfaser­kabel bündelte. Solche Luftwellen­leiter könnten Methoden der atmosphä­rischen Spektro­skopie wie etwa LIDAR deutlich verbessern helfen. Als Nischen­anwendung wären auch luftige Daten­ver­bindungen in heiße Umgebungen möglich, in denen selbst abgeschirmte Glasfaser­kabel zerstört würden.

Perowskit für günstige Solarzellen und Wasserstoff-Fabriken

Effizienz statt Schnelligkeit steht dagegen für neue Solarmodule im Mittelpunkt. In den vergangenen zwölf Monaten stachen vor allem große Fortschritte bei Solarzellen aus Perowskit-Kristallen ins Auge. Dieses Material ist weitaus günstiger als Silizium, lässt sich in Druck­verfahren verarbeiten und erreicht bis jetzt schon Wirkungsgrade um die 15 Prozent. An der Huazhong University of Science and Technology in Wuhan schafften es Hongwei Han und Kollegen, die Haltbarkeit dieser Solarzellen deutlich zu verbessern. Der Wirkungsgrad ihres Prototyps stieg nach 1008 Stunden Testbetrieb sogar noch ein wenig an. Eine wichtige Rolle spielte dabei eine zusätzliche Zirkonium­dioxid-Schicht, die effizient die Rekombi­nation von solar erzeugten Elektron-Loch-Paaren verhinderte. Für die schnelle und günstige Fertigung solcher Perowskit-Solarzellen nutzte Doojin Vak vom CSIRO Manufac­turing Flagship in Victoria erstmals 3D-Drucker, mit denen beliebige Formen für Solar­zellen ohne teure Reinräume möglich werden. Herkömmliche Spin-Coating-Verfahren lassen sich damit ersetzen und die rapide fallenden Kosten für 3D-Drucker könnten sogar eine dezentrale Solarzellen­produktion an beliebigen Orten ermöglichen.

Perowsit-Solarzellen eignen sich sogar für die direkte Erzeugung von Wasserstoff. Zu diesem Zweck hat die Gruppe um Michael Grätzel an der ETH Lausanne nun einen Prototyp entwickelt, der günstige Perowskit-Solarzellen mit katalytisch effizienten Elektroden verknüpft. In ersten Testreihen erreichten die Wissen­schaftler bereits einen relativ hohen Wirkungs­grad von 12,3 Prozent. Wichtig für die Effizient dieser kleinen Wasserstoff-Fabrik war ein Katalysator, der sowohl die Produktion von Wasserstoff als auch Sauerstoff effizient unterstützen konnte. Fündig wurden Grätzel und Kollegen mit einer Material-Kombination aus Eisen, Nickel und geschich­teten Hydroxiden – kurz NiFe-LDH genannt. Dieser Katalysator zeigte in einer wässrigen, basischen Natrium­hydroxid-Lösung eine gute katalytische Wirkung für elektro-chemische Reduktions- und Oxidations­prozesse.

Licht als Traktorstrahl

Über eines der spektakulärsten Photonik-Experimente im Jahr 2014 berichteten Forscher um Wieslaw Krolikowski an der Australian National University in Canberra. Sie schafften es mit einem polariserten Laserstrahl, kleine Glaskugeln mit 25 Mikrometer Durchmesser allein mit Laserlicht über einige Dutzend Zentimeter kontrolliert zu bewegen. Grundlage des Traktor­strahls waren photopho­retische Kräfte: Fiel ein kreis­förmiger Laserspot auf die mit Gold beschichte Kugel­oberfläche, heizte sich die Kugel uneinheitlich auf. Auf der heißeren Seite bewegten sich die aufgeheizten Moleküle der Luft schneller als auf der kühleren. Trafen sie auf die Kugel, übertrugen sie ihren Impuls und die Kugel bewegte sich in Strahl­richtung. Wurde die Polarisation des Laserlichts verändert, ließ sich die Bewegungsrichtung umkehren. Dabei erreichten die Kugeln Geschwin­digkeiten von einigen Millimetern pro Sekunde. Diese Traktor­strahl-Methode soll nicht nur in Luft, sondern auch in flüssiger Umgebung funktionieren. Anwendungen sehen die Forscher für kontakt­freie Analysen von Aerosolen oder für Entnahme von Material­proben ohne die Gefahr einer Kontami­nation.

Licht als Kontrollinstrument spielte 2014 zunehmend auch bei chemischen Reaktionen und in der Medizin eine Rolle. So konnten Forscher an der TU Wien mit Laser­pulsen im Femto­sekunden-Bereich eine chemische Reaktion gezielt auslösen und steuern. Ein erster Puls versetzte Moleküle in eine schnelle Rotation. Ein zweiter Puls kurz danach änderte die Anordnung äußerer Elektronen derart, dass beispielsweise Acetylen an einer gewünschtern Stelle zerbrochen werden konnte, um reine Kohlen­stoff-Ionen oder Methylen-Gruppen zu erhalten. Ein Ziel dieser Chemie mit Femto­sekunden­lasern ist die Ausbeute-Optimierung von chemischen Prozessen. Opto­genetik nennt sich dagegen ein neues Verfahren, bei dem mit Laser­pulsen lebende Zellen beeinflusst werden können. Biophysiker der Berliner Humboldt-Uni deaktivierten über Laserpulse, die auf Ionen­kanäle im Lebenden Organismus wirkten, einzelne Nerven­zellen. Durch den Einfluss der Laserpulse könnten in Zukunft Therapien für Schizo­phrenie, Depres­sionen, Epilepsie oder Drogen­abhängig­keit besser untersucht werden.

2015 – Jahr des Lichts

Die zahlreichen Fortschritte im vergangenen Jahr zeigen, dass optische und photonische Methoden zu immer neuen Anwendungen in Material- und Grund­lagen­forschung, Energie­technik, Chemie und Medizin führen. Und es ist nicht unwahr­scheinlich, dass 2015 dieses wachsende Forschungs­feld weiter an Attrak­tivität gewinnen wird. Viel Aufmerksamkeit ist den optischen Technologien auf alle Fälle sich, da 2015 unter der Schirm­herr­schaft der Unesco zum „Interna­tionalen Jahr des Lichts und der licht­basierten Techno­logien“ erklärt wurde. Die vielen Beiträge zum „Jahr des Lichts“ in Deutsch­land werden von der DPG koordiniert.

Jan Oliver Löfken

OD