Ihre geringe Größe begrenzt bisher den Einsatz von Metamaterialien. Wissenschaftler wagen jetzt den Sprung vom Labor zur Anwendung, zu künstlichen Strukturen in hoher Qualität im Quadratzentimetermaßstab.
Metamaterialien werden meist mit optischen Tarnkappen in Verbindung gebracht. Die neuartigen Strukturen lassen sich aber auch für Sensoren nutzen, die Wasserstoff in der Umgebung von Brennstoffzellen oder Glucose bei Diabetikern aufspüren können. Bisher ist der Einsatzbereich dieser aus Nanometer-kleinen Metallpartikeln bestehenden künstlichen Strukturen jedoch durch die geringe Größe begrenzt. Wissenschaftler um Prof. Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart und Prof. Paul V. Braun von der University of Illinois/USA wollen Metamaterialien nun in hoher Qualität im Quadratzentimetermaßstab herstellen.
Großflächige Strukturen werden bislang Schicht für Schicht mit dem Laser oder einem Elektronenstrahl geschrieben. Das dauert Stunden und ist teuer. „Derzeit sind optische Metamaterialien auf Labormuster von Größen unter einem Quadratmillimeter limitiert“, erklärt Harald Giessen. Das Projekt „Großflächige dreidimensionale Metamaterialien für optische und Sensor-Anwendungen” soll Metamaterialien daher von der Grundlagenforschung heraus in die Welt der Anwendungen führen. Getestet werden unterschiedliche Ansätze für die effektivere Herstellung. So lässt sich ein stromloses Verfahren zur Metallabscheidung mit relativ einfachen Geräten und ohne Reinraum realisieren. Andere Wege sind die Phasenplatten-Holographie sowie die Funktionalisierung von Oberflächen mit Hilfe von Laserstrahlen, die in einem bestimmten Winkel auf die Strukturen gerichtet werden.
Einfache, teilweise noch zweidimensionale Strukturen lassen sich mit diesen Ansätzen bereits herstellen. Doch gerade für Sensoren wären dreidimensionale chirale Strukturen interessant, die sich Spiralen gleich nach rechts und links drehen. Als erste Anwendungen streben die Wissenschaftler nanostrukturierte optische Bauelemente mit einer aktiven Fläche von mindestens 1 cm2 an: Sie könnten etwa dazu dienen, die räumliche Struktur von neuen Arzneimitteln zu erforschen. Darüber hinaus entwickeln die Forscher optische Sensorkonzepte für verschiedene Chemikalien, wie einen Detektor zum Messen von Wasserstoff.
Schon an der Schwelle zum Praxistest steht ein optischer Glucosesensor, mit dem Diabetespatienten über die Tränenflüssigkeit den Zuckergehalt im Blut bestimmen können, ohne sich zu pieksen. Dieses Projekt realisieren die Stuttgarter Physiker gemeinsam mit Prof. Cristina Tarin vom Institut für Systemdynamik der Uni Stuttgart im Rahmen des Interuniversitären Zentrums für Medizinische Technologie Stuttgart-Tübingen. Als Messgerät fungiert eine Kontaktlinse, auf die eine Hydrogel-Schicht mit winzigen Nanostrukturen aus Gold aufgebracht ist. Ausgelesen werden die Messwerte mit einem infraroten Laserstrahl. Um die bisher auf etwa fünf Tage begrenzte Lebensdauer der Kontaktlinsen zu erhöhen, wird einerseits das Hydrogel weiterentwickelt, in das die Goldpartikel eingebettet sind. Ein anderer Weg wäre es, chirale Nanostrukturen direkt großflächig auf die Kontaktlinse aufzubringen.
Das Projekt „Großflächige dreidimensionale Metamaterialien für optische und Sensor-Anwendungen” wird von der Baden-Württemberg Stiftung im Rahmen des Programms „Internationale Spitzenforschung“ mit 500 000 Euro gefördert.
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