Licht verbiegt Materie

Erst konnten es die Forscher selbst kaum glauben: Licht kann Materie verformen – und das nicht nur auf der Ebene der Atome und Moleküle, wie bisher gedacht, sondern auch bei größeren Strukturen. Durch Zufall entdeckten Wissenschaftler eines internationalen Teams, dass ganz normales Licht gerade Metallstränge von immerhin einigen Mikrometern Länge verdrehen und verkrümmen kann. Wie sie jetzt in „Science“ berichten, könnte dieser Effekt zu neuen Anwendungen im Nanobereich führen, wie beispielsweise einem U-Boot im Nanomaßstab.

Materie kann Lichtstrahlen beugen und verdrehen – das ist nichts Neues. Nach diesem Prinzip funktionieren beispielsweise optische Linsen und 3D-Brillen. Das Glas oder der Kunststoff dieser Objekte lässt entweder nur bestimmte Wellenlängen oder Strahlrichtungen durch oder lenkt sie leicht aus ihrer Bahn. Aber was ist mit dem Gegenteil? Im molekularen Maßstab, auf der Ebene von Atomen, gibt es auch den umgekehrten Effekt: Licht kann Moleküle von wenigen Nanometern beispielsweise leicht verdrehen. Wie stark dieser Effekt aber sein kann und ob er auch für größere Strukturen wirkt, das war bisher nicht bekannt.

Entdeckung durch Zufall

Jetzt sind Wissenschaftler eines internationalen Forscherteams quasi durch Zufall auf einen solchen Fall gestoßen. Eigentlich wollten Nicholas Kotov, Professor für Materialforschung und biomedizinische Technik, und seine Kollegen so genannte superchirale Partikel erzeugen – Nano-Spiralen aus Metallmischungen, die das sichtbare Licht auf Flecken fokussieren, die kleiner sind als dessen Wellenlänge. Materialien mit einem solchen „negativen refraktorischen Index“ könnten theoretisch dazu genutzt werden, das Licht so um sich herum zu lenken, dass das Material wie eine „Tarnkappe“ wirkt: Alles, was darin eingehüllt ist wird unsichtbar.

Diesen Effekt wollten die Forscher erreichen, indem sie Cadmium-Tellurid-Partikel in eine wasserbasierte Lösung gaben, wo sie sich von selbst zu Strängen anordnen sollten. Nach 24 Stunden zeigte die Kontrolle per Mikroskop, dass in der Lösung tatsächlich ein bis vier Mikrometer lange abgeflachte Stränge entstanden waren. Die Lösung wurde weiter im beleuchteten Labor gehalten und nach 72 Stunden erneut überprüft. Der Anblick dabei war überraschend: Denn statt ordentlicher Fäden fanden die Forscher verkrümmte, zusammengeklumpte „Nanospaghetti“.

Licht verdreht Stränge

Was war passiert? Die Wissenschaftler gingen der Sache nach. „Wir entdeckten, dass sich flache Stränge, die im Dunkeln erzeugt wurden und dann dem Licht ausgesetzt, allmählich verdrehen und biegen, und dies umso mehr, je mehr Licht sie erhielten. Das ist in vieler Hinsicht sehr ungewöhnlich“, erklärt Kotov. „Am Anfang konnte ich es nicht glauben. Um ehrlich zu sein, brauchten wir dreieinhalb Jahre um herauszufinden, wie Photonen des Lichts eine so bemerkenswerte Veränderung in festen Strukturen, tausendfach größer als Molekülen, bewirken können.“

Abstoßungskräfte aktiviert

Um den genauen Mechanismus herauszufinden, führten seine Kollegin Sharon Glotzer, ebenfalls Professor für Materialforschung in Michigan, und ihr Mitarbeiter Aaron Santos Computersimulationen der Strangbildung durch. Dabei zeigte sich, dass das komplexe Kräftespiel zwischen den tetraederförmigen Nanopartikeln in der Lösung unter bestimmten Bedingungen zu genau solchen flachen Fäden zusammenlagern, wie von den Forschern im Funkeln beobachtet. Das einfallende Licht verstärkt die abstoßenden Kräfte zwischen den einzelnen Nanopartikeln und stört damit die Bildung gerader Stränge. Stattdessen winden und spreizen sich die Ketten.

U-Boot-Schrauben im Nanomaßstab

Diese verdrehten Stränge sind nicht nur eine völlig neue Form in der Nanotechnologie, sie könnten auch für praktische Nanoanwendungen eingesetzt werden. So versucht Sudhanshu Srivastava, ein Mitarbeiter Kotovs bereits, die spiraligen Stränge rotieren zu lassen. Denn dann könnten sie beispielsweise als Antriebe für Nanomaschinen genutzt werden. „Er erstellt sehr kleine Propeller zur Bewegung durch Flüssigkeiten – U-Boote im Nanomaßstab wenn man so will“, so Kotov. „Solche verdrehten Strukturen sieht man auch bei den Fortbewegungsorganen von Bakterien und Zellen.“

Nano-U-Boote mit solchen Antrieben könnten beispielsweise für die Medizin genutzt werden, um Wirkstoffe gezielt an bestimmte Stellen im Körper zu transportieren. Aber auch für Mikroelektromechanische Systeme oder in der Mikrochip-Produktion gäbe es für diese neu entdeckten Lichtspiralen sinnvolle Anwendungen.

(University of Michigan, 18.03.2010 – NPO)