Technologie

Licht drehen mit Nanoschichten

04.05.2021 - Effizientes Produktionsverfahren für optisch aktive nanostrukturierte Schichten.

In einem neu veröffentlichten Artikel beschreiben Forscher um Andreas Fery und Tobias König vom Leibniz-Institut für Polymer­forschung Dresden eine neue Designstrategie zur Herstellung dünner, nanostrukturierter Schichten für die aktive Kontrolle zirkular polarisierten Lichts. Sie basiert auf einer chiralen Nanoanordnung durch Stapeln zweier Substrate mit Nanopartikel­ketten. Das kostengünstige kolloidale Verfahren ermöglicht ausgeprägte, reversibel variierbare optische Effekte sowie ultrasensitive Detektion chiraler Moleküle. Damit kann es unter anderem die Entwicklung tragbarer Spektrometer und von „Lab-on-a-chip“-Plattformen vorantreiben.

 

Die Reifebestimmung und Qualitäts­kontrolle vieler land­wirtschaftlicher Produkte wie etwa Wein oder Honig erfolgt über optische Analyse­methoden. Eine Methode zur Bestimmung des Oechslegrades von Wein, also des Gehalts an Zucker, beruht darauf, dass Zuckermoleküle linear polarisiertes Licht konzentrations­abhängig drehen (optische Rotation). Die Art des Zuckers bestimmt den Drehsinn. Diesen Effekt zeigen alle chiralen Moleküle, zu denen auch Aminosäuren und Vitamine gehören. Chirale Moleküle sind Spiegelbilder zueinander und können durch Rotation und Verschiebung nicht ineinander überführt werden. Zusätzlich zur optischen Rotation absorbieren chirale Moleküle links- und rechtszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich (Zirkular­dichroismus, CD), was insbesondere bei der CD-Spektroskopie zur Bestimmung der Proteinfaltung eingesetzt wird.

In Forschung und Industrie verwendete Spektrometer sind aufgrund der zahlreichen rotierbaren Bauteile meist sehr sperrig. Metaoberflächen, die durch kontrollierte Anordnung von Metall­nanostrukturen beliebige Manipulation der Intensität, Phase und Polarisation von Licht erlauben, können einen wichtigen Beitrag zur Miniaturisierung von Geräten leisten. Insbesondere aktiv durchstimmbare, optische Effekte regen weltweit intensive Forschung in der Nanotechnologie an, da sie in Zukunft zur Kodierung von Informationen und in Nanolasern genutzt werden können. Darüber hinaus erschließen sie neuartige Anwendungen für komplex strukturiertes Licht und für optische Computer.

Die Forscher aus dem IPF haben eine neue Design­strategie zur Herstellung funktionaler 3D-Anordnungen auf der Nanoebene entwickelt, die im Vergleich zu chiralen Molekülen milliardenfach stärkere optische Effekte liefern, ohne auf aufwändige und kosten­intensive elektronen­lithographische Methoden angewiesen zu sein. Sie basiert auf Nanokanälen, die großflächig hergestellt und abgeformt werden können, um kolloidale Gold­nanopartikel in parallelen Doppellinien anzuordnen.

Durch Stapeln zweier solcher quadrat­zentimeter­großen Substrate entsteht eine chirale Nanoanordnung gekreuzter Ketten mit links- oder rechtshändigem Drehsinn, die selektiv mit zirkular polarisiertem Licht wechselwirken. Metall­nanostrukturen sind für ihre starke Wechselwirkung mit Licht bekannt, die zu starken, selektiven Absorptions­effekten führt und starke optische Felder unterhalb des Beugungs­limits konzentriert. Dies geschieht durch licht­induzierte Anregung von Elektronenschwingungen, also lokalisierter Oberflächen­plasmonen­resonanzen.

Im Falle chiraler plasmonischer Strukturen resultiert eine bevorzugte Absorption und Streuung links- oder rechts-zirkular polarisierten Lichts. Das vorgestellte System kann wiederholt unter verschiedenen Winkeln gekreuzt und mechanisch komprimiert werden, um alle Einzelheiten des Zirkular­dichroismus aktiv zu steuern (Stärke, Vorzeichen und spektrale Position). Dies ermöglicht eine Anwendung als durchstimmbarer Zirkular­polarisator, dessen aktive Schicht nur wenige hundert Nanometer dick ist. Über lokale mechanische Modulation eröffnen sich interessante Möglichkeiten zur Erzeugung komplexer spektraler Gradienten, um sie als Filterarray für Chip-basierte Spektrometer zu verwenden. Durch die dichte Anordnung der chiralen Elemente und deren starke plasmonische Kopplung wurde ein Zirkular­dichroismus von elf Grad erreicht, der den anderer kolloidaler Systeme um zwei Größen­ordnungen übertrifft.

Im Gegensatz zu lithographisch erzeugten Meta­oberflächen erlaubt das stapelbare Design die Nutzung der besonders in der Zwischenschicht verstärkten super­chiralen Felder zur ultra­sensitiven Detektion chiraler Moleküle. So konnte in einem Proof-of-concept-Experiment eine zehnfach verstärkte Empfindlichkeit beim Nachweis eines Modellproteins gezeigt werden. Das Forscherteam weist einen neuen Weg zur Erzeugung mechanisch schaltbarer 3D-Nano­anordnungen. Das erworbene mechanistische Verständnis kann auf andere Systeme ausgeweitet werden und ist der Grundstein für weitere, spannende Neuentwicklungen, die sich nicht auf photonische Anwendungen wie Polarisations­elemente oder Sensoren beschränken.

Leibniz-IPF / DE

 

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