Nanopartikel „sprengen“

Unsichtbare Lichtblitze entzünden Nano-Feuerwerk

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Rostock und des Max-Born-Instituts in Berlin hat einen neuartigen Weg gefunden, transparente Nanoteilchen, also Partikel aus einigen Tausend bis zu Millionen Atomen, schlagartig undurchsichtig zu machen und mit Laserlicht gezielt blitzschnell aufzuheizen.

Prof. Thomas Fennel erklärt das Nano-Feuerwerk so: Ein Argon-Nanopartikel wird von einem unsichtbaren XUV-Laserpuls mit moderater Intensität entzündet. Ein darauffolgender sichtbarer Laserpuls heizt den Nanopartikel sehr effizient auf, was zu seiner Explosion führt, wie auf dem Bildschirm zu sehen. Elektronen und Ionen bewegen sich in unterschiedliche Richtungen und senden Fluoreszenzlicht in verschiedenen Farben aus. Ohne Zündung durch den XUV-Puls bliebe der Nanopartikel intakt. (Foto: Universität Rostock / Julia Tetzke)

Nanopartikel, so werden in der Wissenschaft Verbünde von Atomen oder Molekülen bezeichnet. Dieses gelungene Experiment könnte nun ungeahnte Möglichkeiten für Medizin und Industrie eröffnen.

Die Fachwelt horcht bereits auf: Denn, Nanopartikel sind dabei, den Alltag zu revolutionieren. Der Zündungsprozess des so genannten Nano-Feuerwerks könnte ausgenutzt werden, um künftig in der Materialbearbeitung kleinere Strukturen herzustellen. Das wäre beispielsweise für die Optik oder die Halbleiter-Industrie von größtem Interesse und könnte sogar medizinische Anwendungen zur Krebsbekämpfung ermöglichen. Mit Hilfe der Nanomedizin könnte krankhaftes Gewebe sehr zielsicher abgetragen werden. Davon sind unisono Prof. Thomas Fennel, Physiker der Uni Rostock, und sein Berliner Forscher-Kollege Dr. Bernd Schütte fest überzeugt.

Der Schlüssel für den Erfolg: Der 39-jährige Physiker Thomas Fennel aus Rostock ist durch einen Forschungsaufenthalt in den USA bestens vertraut mit ausgefeilten Simulationsmethoden intensiver Licht-Materie-Wechselwirkungen. „Das war das Rüstzeug für meine wissenschaftliche Karriere“, sagt der Rostocker und Vater zweier Kinder. Er ist mit einer Physikerin verheiratet.

Anzeige

Während eines weiteren Forschungsaufenthaltes an einer kanadischen Universität brachte Fennel, der in Rostock das Abitur ablegte, hier studierte und promovierte, spezielle Kenntnisse auf dem Gebiet der ultraschnellen Licht-Materie-Wirkung von Nanoteilchen mit. Im Gespann mit dem Team um seinen Berliner Kollegen Dr. Bernd Schütte gelang es so, die Geheimnisse der Plasmazündung zu entschlüsseln. Die Uni Rostock ist auf dem Gebiet der Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit Materie in der Fachwelt ganz vorn dabei.

Die Experimente wurden in einem Laser-Speziallabor des Berliner Max-Born-Instituts durchgeführt. An einer 12 m langen Apparatur untersuchten die Wissenschaftler die Wechselwirkung intensiver sichtbarer Laserblitze mit den winzigen, nur wenige Nanometer großen Teilchen aus einigen Tausend Argonatomen – so genannten Atomclustern. Das sichtbare Licht allein könne ein Plasma nur dann erzeugen, wenn seine elektromagnetischen Lichtwellen so stark seien, dass es einzelne Atome in Elektronen und Ionen zerreiße, sagt Prof. Fennel. Gemeinsam mit Forscher-Kollegen Schütte gelang es ihm, diese Zündungsschwelle auszutricksen.

Wie? Sie bestrahlen die Cluster vorher mit einem zweiten, deutlich schwächeren und für das menschliche Auge unsichtbaren Femtosekunden-Lichtblitz (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde) im extrem ultravioletten Spektralbereich, einem sogenannten XUV-Lichtpuls. So konnten die Forscher den Energieeinfang auch für unerwartet schwaches sichtbares Laserlicht „anschalten“. Und sie beobachteten ein Nano-Feuerwerk, bei dem Elektronen, Ionen und farbiges Fluoreszenzlicht von den Clustern in verschiedene Richtungen ausgesandt wurde.

Das wesentlichste Ergebnis für Prof. Fennel: „Wir konnten die Geheimnisse der gezielten Plasmazündung entschlüsseln.“ Dazu genügt es, wenige „Keim“-Elektronen durch die ionisierende XUV-Strahlung freizusetzen, um einen Prozess ähnlich einer Schneelawine im Gebirge in Gang zu setzen. Die Keimelektronen werden dann durch das sichtbare Licht aufgeheizt und schlagen weitere Elektronen aus benachbarten Atomen heraus. Am Ende heizen sich die Partikel so stark auf, dass hochgeladene Ionen erzeugt werden können und die Partikel blitzschnell zerplatzen.

Die Wissenschaftler erwarten, dass die Zündungsmethode in vielen transparenten Materialien funktioniert, also beispielsweise auch in Glas oder Plastik. Das macht dieses Konzept für die Herstellung von Nanostrukturen so interessant. Der Vorteil ergibt sich aus den Eigenschaften der XUV-Lichtblitze, die auf eine viel kleinere Fläche fokussiert werden können und so eine höhere Präzision bei der Plasmazündung erlauben. Gleichzeitig lässt sich die Effizienz erhöhen, da, verglichen mit gängigen Verfahren, sichtbare NIR-Pulse mit viel geringerer Intensität ausreichend sind. Daraus könnten zukünftig neue Methoden in der Nanolithografie und eben der Nanomedizin entstehen.

Kontakt:
Universität Rostock
Prof. Dr. Thomas Fennel
Arbeitsgruppe „Theoretische Clusterphysik und Nanophotonik“
Institut für Physik
E-Mail: thomas.fennel@uni-rostock.de

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige
Anzeige