Forschung an neuartigen Diamant-Sensoren

Multifunktionale Diamant-Nano-Rastersonden für die Lebenswissenschaften

Mit rund 2 Mio. Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine neue Nachwuchsgruppe in der Physik an der Saar-Uni. Die Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Elke Neu, die ab Februar an der Saar-Uni arbeiten wird, und ihr Team erforschen mit quantenphysikalischen Methoden neuartige, bis in den Nanometerbereich auflösende Abbildungsverfahren.

Dr. Elke Neu beginnt im Februar mit ihren Forschungen an der Saar-Uni. (Bild: Saar-Uni)

Die Wissenschaftler erwarten vor allem in den Material- und Lebenswissenschaften einen großen Nutzen dieser Methoden. Für diese Idee ist Elke Neu im BMBF-Nachwuchswettbewerb „NanoMatFutur“ ausgezeichnet worden und erhält in den nächsten vier Jahren eine Förderung im Rahmenprogramm „Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft –WING“.

Großes entsteht immer im Kleinen: Dieser Slogan der saarländischen Imagekampagne gilt an der Saar-Uni nicht nur im übertragenen Sinne, sondern buchstäblich. Hochauflösende Abbildungen mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich ermöglichen es, physikalische und biologische Systeme besser zu verstehen und neue Technologien zu erforschen.

Solche winzigen Diamant-Nanodrähte wollen die Forscher um Elke Neu nutzen, um mithilfe der Rastersondenmikroskopie neuartige Abbildungsverfahren zu entwickeln. (Bild: Universität Basel)

Gelingt es, Magnetfelder auf der Nanoskala zu messen und abzubilden, so lassen sich Ströme in Nanostrukturen oder in biologischen Systemen präzise untersuchen. Anwendung finden diese Abbildungsverfahren beispielsweise in der Entwicklung neuer magnetischer Materialien und der Untersuchung elektrischer Ströme, die entstehen, wenn Zellen über den Austausch geladener Teilchen (Ionen) durch spezielle Poren (Ionenkanäle) miteinander kommunizieren.

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Ionenkanäle zu erforschen, ist essentiell, da ihre Fehlfunktion Erkrankungen wie zum Beispiel Herzrhythmusstörungen hervorrufen kann. Durch Untersuchungen von Zellmembranen können die hochauflösenden Verfahren auch zum Verständnis der Wirkungsmechanismen vieler pharmazeutischer Wirkstoffe beitragen.

Für die hochauflösenden Abbildungsverfahren benutzen die Forscher in der Nachwuchsgruppe von Elke Neu, die am 1. Februar aus Basel an die Saar-Uni wechselt, Diamanten, in die gezielt einzelne Verunreinigungsatome eingebaut werden. Dabei ersetzt zum Beispiel ein künstlich eingebrachtes Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom im atomaren Gitter eines Diamanten. Zusammen mit einer benachbarten Leerstelle im Gitter bildet diese „Verschmutzung“ mit einem fremden Atom ein so genanntes Farbzentrum. Dessen physikalische Eigenschaften erlauben es, sowohl kleinste Magnetfelder zu messen als auch die Anwesenheit einzelner Moleküle zu erspüren. Die Farbzentren sind dabei nicht viel größer als Atome und ermöglichen daher als kleinstmögliche Sensoren sehr hochauflösende Abbildungen.

Der Clou von Frau Neus Forschungsidee im Projekt „Multifunktionale Diamant-Nano-Rastersonden für die Lebenswissenschaften (DiaNanoRa)” ist es nun, die „Feinfühligkeit“ und atomare Ausdehnung der Farbzentren mit der bekannten Technologie der Rastersondenmikroskopie zu kombinieren. Bei einer Rastersondenabbildung bewegt sich eine Sonde nur wenige Milliardstel Meter über dem zu untersuchenden Objekt und tastet die Oberfläche ab. Neu ist, dass die Diamant-Sonden nicht-invasiv sind, ohne Kühlung in der normalen Lebensumgebung für Zellen funktionieren und somit bestens geeignet sind, um biologische Proben zu untersuchen.

Das Projekt DiaNanoRa (BMBF Förderkennzeichen 13N13547) an der Schnittstelle zwischen Physik, Materialwissenschaft und Lebenswissenschaft ergänzt ideal die Schwerpunkte naturwissenschaftlicher Forschung an der Saar-Uni. So stellt der Saarbrücker Professor für Quantenoptik Christoph Becher fest: „Elke Neu setzt für ihre Arbeit einzelne Quantensysteme, also einzelne Atome ein; dies ist ein perfektes Beispiel für die Anwendung von Quantentechnologien, die einen der Schwerpunkte der Saarbrücker Physik bilden. Frau Neus Projekt zeigt in vorbildlicher Weise die Quervernetzung der Quantentechnologien mit den universitären Schwerpunkten Lebenswissenschaften und Materialforschung.“ Das Projekt hat neben der weiteren Erforschung der Messtechnik auch erste Schritte hin zur Kommerzialisierung in Zusammenarbeit mit zwei mittelständischen deutschen Unternehmen zum Ziel.

Weitere Informationen:
Dr. Elke Neu
Universität Basel
E-Mail: elke.neu@unibas.ch

Prof. Dr. Christoph Becher
Universität des Saarlandes
E-Mail: christoph.becher@physik.uni-saarland.de

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