Mit speziell entwickelten Materialien könnten sich in Zukunft Linsen mit besonderen Eigenschaften herstellen lassen. Dafür nutzen die Forscher künstlich hergestellte DNA-Fragmente. Noch ist das ein Forschungsthema, aber es gibt Perspektiven.
In der Werbung für Molkereiprodukte ist oft von rechtsdrehenden Milchsäuren die Rede. Diese Moleküle können Lichtstrahlen polarisieren: Wenn der Strahl durch eine milchsäurehaltige Lösung hindurchscheint, wird er in eine Richtung polarisiert, in diesem Fall rechts herum. Die Drehung des Polarisationswinkels sowie die Veränderung der Lichtintensität und Farbe charakterisieren das Aussehen des Joghurt.
Na und? Das gleiche Prinzip gilt aber nicht nur für das potenzielle Dessert, sondern für jede lösliche Substanz. In Analogie zur natürlich auftretenden „optischen Aktivität“ hat daher ein internationales Team unter der Leitung des Physikers Prof. Tim Liedl von der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität ein künstliches, dreidimensionales Material hergestellt. Damit kann sichtbares Licht maßgeschneidert modifiziert werden.
Dieses so genannte „Metamaterial“ besteht aus künstlichen DNA-Stücken, die sich „von allein“ – mit Hilfe der sogenannten DNA-Origami-Methode – in bestimmte Strukturen falten. Diese Fragmente haben die Münchner dicht mit Goldnanopartikeln in einer helikalen Anordnung besetzt. Werden bestimmte Parameter im Material verändert, lässt sich Licht, das eine Lösung mit diesen Partikeln durchstrahlt, gezielt beeinflussen.
Variieren die Physiker zum Beispiel die Anordnung, Größe oder Beschaffenheit der Goldpartikel – oder andere Eigenschaften der in Wasser gelösten Strukturen – , verändert sich die optische Aktivität des Materials. Dabei wird zum einen unterschieden, ob sich die Goldpartikel linksgängig oder rechtsgängig um die DNA-Struktur anordnen. Zum anderen konnten die Wissenschaftler feststellen, dass die Intensität der optischen Antwort mit der Größe der Partikel deutlich ansteigt. Auch die Chemie beeinflusst das Ergebnis. Waren die Goldpartikel mit einer Silberschicht überzogen, verschob sich die optische Resonanz vom roten in den kurzwelligeren blauen Bereich.
Dieser Ansatz könnte den Weg zu neuartigen Linsensystemen eröffnen. „Vielleicht wird es uns gelingen, Materialien mit negativen Brechungsindex herzustellen. Linsen daraus können theoretisch ‚perfekt‘ sein: Man könnte optische Abbildungen ohne Auflösungsbegrenzung erreichen“, sagt Liedl. Davon seien die Forscher in der Praxis aber noch weit entfernt. Schon denkbar wären Linsen, die das Licht sammeln und gleichzeitig als Polarisatoren wirken. op
DNA-Origami
DNA besteht aus Molekülketten, in denen vier verschiedene Bausteine aufeinander folgen. Jeweils zwei passen zueinander, können Bindungen eingehen oder zu einer Bindung zwischen zwei DNA-Ketten führen. Das nutzen Wissenschaftler, um aus DNA-Sequenzen ein dreidimensionales Objekt beliebiger Form entstehen zu lassen, was auch als DNA-Origami bezeichnet wird. Die Münchner Physiker wählten eine DNA-Helix, an die sich rund 10 nm große Goldpartikel aufreihen. „Die Präzision und Ausbeute der Strukturen ist außergewöhnlich hoch und besser kontrolliert als bei allen früheren Versuchen, metallische Nanopartikel durch DNA-Selbstorganisation in einer definierten Geometrie anzuordnen“, erläutert Prof. Friedrich Simmel, Co-Autor und Physiker an der TU München. Die Studie wurde im Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) durchgeführt und in Nature online 2012 veröffentlicht.
Teilen:
