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Physik

Das Gold der kleinen Dinge

München, 17.05.2013

Ob mit Edelmetallen oder Allerweltsmaterialien: Jochen Feldmann und die Wissenschaftler der Nanosystems Initiative Munich gestalten die ultrakleinen Bausteine einer Welt von morgen – für Datenübertragung, Energiegewinnung oder Tumorbekämpfung.

Foto: Jan Greune
Foto: Jan Greune

Es ist ein ganz besonderer Goldrausch, der Jochen Feldmann auf Trab hält. Schließlich ist der reine Materialwert des Edelmetalls, mit dem der Physiker an der LMU experimentiert, so gut wie zu vernachlässigen: Es sind nur winzige Mengen. Die Anwendungen, die sich aus Feldmanns Versuchen ergeben, sind allerdings im wahrsten Sinne des Wortes Gold wert.

Jochen Feldmann, Inhaber des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik, forscht mit klitzekleinen Goldklumpen – mit Kügelchen und Sternchen, die tausendmal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Etwa 50 Millionstel Millimeter – oder 50 Nanometer, wie die Physiker sagen – messen Feldmanns Goldteilchen. Das hindert die Partikel allerdings nicht daran, stark aufzuleuchten, sobald sie mit Licht einer bestimmten Farbe in Kontakt kommen. Diese Eigenschaft macht die Nanoteilchen zu einem idealen Handwerkszeug, um einzelne Moleküle nachzuweisen, um biologische Vorgänge sichtbar zu machen, um Krebserkrankungen zu diagnostizieren und möglicherweise sogar zu therapieren.

Nanokapseln und künstliche Blätter
Mindestens genauso vielfältig ist der Exzellenzcluster, den Jochen Feldmann zusätzlich zu seiner Forschung koordiniert: Nanosystems Initiative Munich (NIM) heißt der Zusammenschluss, der bereits seit 2006 gefördert wird. Beteiligt sind Forscher der Technischen Universität München, der Universität Augsburg, der LMU und weiterer Kooperationspartner. Er hat sich, wie Feldmann es formuliert, zum Ziel gesetzt, „Visionen aus der Nanoforschung“ Realität werden zu lassen.

Darunter fallen Quantensysteme, die komplexe Rechenaufgaben lösen, aber auch Nanofabriken, künstliche Blätter für eine umweltfreundliche Energieerzeugung, selbstgebaute Zellen und Nanokapseln, die Krebszellen im Körper aufspüren und zerstören. „Für die Lösung dieser Herausforderungen brauchen wir Physiker, Chemiker, Biologen, Mediziner, Pharmazeuten, Elektrotechniker“, sagt LMU-Wissenschaftler Feldmann. „NIM ist daher sehr interdisziplinär aufgestellt.“

Wellen im Elektronensee
Nano-Plasmonik nennt sich Feldmanns eigenes Forschungsgebiet. Es macht sich zunutze, dass in einem leitenden Material viele freie Elektronen zu finden sind. Werden die geladenen Teilchen vom elektrischen Feld eines Lichtstrahls getroffen, breiten sich im Elektronensee Wellen aus – ganz ähnlich, als wenn man einen Stein ins Wasser wirft.

Prof. Dr. Jochen Feldmann (Foto: Jan Greune)Im Nanoteilchen können sich diese Dichtewellen der Elektronen, „Plasmonen“ genannt, aber nicht ungehindert ausdehnen. Die Kugelgeometrie sorgt dafür, dass die Wellen zurückgeworfen werden und sich gegenseitig überlagern. Bei einer bestimmten Frequenz treffen die einzelnen Wellenberge dabei exakt so aufeinander, dass sie sich gegenseitig verstärken. Eine Plasmonenresonanz entsteht. Die Energie wird dadurch stark gebündelt, das Teilchen leuchtet auf. „Im Grunde verhalten sich die Partikel damit wie Antennen, die auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt sind”, sagt Feldmann.

Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Die Nanopartikel können beispielsweise über eine Schwefelwasserstoff-Bindung an ein Biomolekül gekoppelt werden. Wie eine Antenne helfen sie dann, das Molekül zu lokalisieren. Es ist aber auch möglich, die Goldteilchen mit einem Rezeptormolekül zu überziehen, das genau jene Proteine anlockt, die bei bestimmten Krebserkrankungen entstehen. Auf diese Weise können Tumore früher entdeckt werden.

Selbstgebaute Nano-Sternchen
Die Antennen müssen dabei nicht unbedingt kugelförmig sein: Feldmann und sein Team arbeiten auch mit Stäbchen und deutlich komplexeren Geometrien – bis hin zum selbstgebauten Nano-Sternchen. „Das funktioniert ein bisschen wie ein Blitzableiter“, erklärt Jochen Feldmann: Die Spitzen des dreidimensionalen Sterns verstärken das elektrische Feld besonders effektiv; das ausgestrahlte Licht wird heller, die Antenne empfindlicher.

Auf Basis dieser Technologie haben die Nano-Forscher bereits einen Biosensor mit einem einzelnen Goldpartikel entwickeln können. Sogar ein Spin-off, das versucht, solche Ideen am Markt zu etablieren, ist entstanden – eine von insgesamt acht Ausgründungen in den ersten fünf Jahren des Exzellenzclusters. Mittlerweile, sagt Feldmann, habe sich daraus ein kleines Netzwerk entwickelt, das anderen potenziellen Gründern Tipps gibt und sie bei Businessplan-Wettbewerben unterstützt. „Auch für so etwas ist NIM absolut wichtig“, sagt der Cluster-Sprecher. „Man ist eben nicht nur mit seiner eigenen Gruppe unterwegs, sondern steht in ständigem Austausch mit anderen.“
Alexander Stirn (Forschungsmagazin Einsichten Sonderheft 2013)

Hier lesen Sie den vollständigen Text zum Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich aus dem LMU-Forschungsmagazin Einsichten. Er ist ein Auszug aus dem Sonderheft zur Exzellenzinitiative.

 

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