Wie man Unsichtbares sichtbar macht

Mit seinen Vortrag „Unsichtbares sehen. – Wie man durchsichtige Nano­teilchen detektiert.“ ging Matthias Mader, Doktorand in der Abteilung Laser­spektroskopie von Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, als Sieger aus dem „Photonik Science Slam“ hervor, der anlässlich des von der UNESCO ausgerufenen „Jahr des Lichts“ am 12. Oktober 2015 gemeinsam von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Bundes­forschung­sministerium in den Räumlichkeiten des Lido in Berlin-Kreuzberg veranstaltet wurde.

Rund um das Licht drehten sich die Vorträge der sechs jungen Nach­wuchs­wissenschaftler. Die Themen erstreckten sich von der Laser­technik über mikroskopische Verfahren bis hin zum Einfluss von Licht auf den Menschen. Den Wettbewerb gewinnt derjenige, dem die unterhaltsame und verständliche Darstellung seines Forschungs­projektes am besten gelingt. Die Wahl des Publikums fiel hier auf Matthias Mader. „Aber die Entscheidung war knapp“, konzedierte der junge Wissenschaftler.

In seinem Science-Slam-Vortrag bringt Matthias Mader in wenigen Bildern auf den Punkt, worum es in seiner Doktorarbeit geht: die Sichtbar­machung und Charakterisierung spezifischer Merkmale von Nano­teilchen. Materialien aus Nanopartikeln spielen heute in vielen Bereichen des täglichen Lebens eine große Rolle. Mit konventionellen optischen Mikroskopen lassen sich ihre äußere Form oder ihre optischen und elektronischen Eigenschaften nicht nachweisen, denn die Partikel­größe – einige zig Nanometer – liegt weit unterhalb der Auflösungs­grenze von rund 400 Nanometern.

Daher kann man z.B. auf die Form der Partikel nur aus deren spektralen Eigenschaften schließen, aber leider sind die Signale bei der Wechsel­wirkung von Licht mit einzelnen Nanoteilchen im Allgemeinen extrem schwach. Der Ausweg aus diesem Dilemma: man steckt die Nanoteilchen in einen optischen Resonator. Da läuft das Licht so oft hin und her, dass das Signal schließlich um mehr als das 1000fache verstärkt wird.

Besonders schwierig gestaltet sich die Untersuchung von Nano­teilchen, wenn diese für Licht durchsichtig, also unsichtbar, sind wie z.B. Glasnanokugeln. Auch dann hilft ein optischer Resonator beim Nachweis: ein Nanoteilchen im Inneren verstimmt den Resonator etwas. Diese für das Teilchen charakteristische Verstimmung lässt sich nachweisen und damit das Teilchen untersuchen.

„Wir haben damit erstmals die Möglichkeit, die optischen Eigenschaften eines einzelnen Nanopartikels oder Makr­omoleküls zu untersuchen“, erklärt Matthias Mader. „Deshalb ist unsere neue Methode für viele Bereiche der Biologie, Chemie oder auch Nanotechnik von großem Interesse.“

MPQ / DE