15.03.12 DNA-Origami ermöglicht maßgeschneiderte optische Materialien

Nanopartikel modifizieren Licht

Maßgeschneiderte optische Materialien aus DNA

Im menschlichen Körper trägt ein Doppelstrang aus Desoxyribonukleinsäure-Bausteinen die Erbinformation. Aus künstlichen DNA-Ketten hat nun ein von Wissenschaftlern des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich geleitetes internationales Team nanostrukturierte Materialien hergestellt, mit denen sie maßgeschneidert sichtbares Licht modifizieren können.

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer mit Goldpartikeln besetzten Nano-Wendeltreppe mit einer Stockwerkshöhe von 57 nm und einen Durchmesser von 34 nm. Die Goldpartikel haben einen Durchmesser von 10 nm. Mit der Technik des "DNA-Origami" können solche Strukturen mit einer Ausbeute im Bereich von 90% hergestellt werden.
Quelle: Technische Universität München

Als vor einigen Jahren die Technik des DNA-Origami entdeckt wurde, war die Begeisterung groß. Mit dieser Technik konnten die Wissenschaftler gezielt Nanoteilchen mit definierter Form und Größe bauen. Doch echte Anwendungsmöglichkeiten, wie etwas Nanopinzetten, schienen bisher in weiter Ferne zu liegen. Einem internationalen Team unter der Führung von Professor Tim Liedl, Ludwig-Maximilians-Universität München und Professor Friedrich Simmel, Technische Universität München, gelang es nun, aus DNA-Bausteinen optisch aktive Nanoteilchen zu bauen, die für die gezielte Modifikation von Licht genutzt werden könnten.

Die Kopplung von Licht und Nanostrukturen könnte helfen, optische Sensoren für Medizin und Umwelttechnik um ein Vielfaches kleiner und empfindlicher zu machen. Doch, im Vergleich zu den nur wenige Nanometer großen Nanostrukturen, ist eine Lichtwelle mit ihrer Wellenlänge zwischen 400 und 800 Nanometern geradezu riesig. Wirken kleinste Strukturen aber in einer ganz bestimmten Art und Weise zusammen, können theoretisch auch kleine Objekte sehr gut mit Licht in Wechselwirkung treten. Mit herkömmlichen Methoden war es aber nicht möglich, solche dreidimensionalen Strukturen mit Nanometer-Präzision in genügender Menge und Reinheit herzustellen.

Abb. 2: Animation einer mit Goldpartikeln belegten Helix aus DNA
Quelle: Technische Universität München

„Mit dem DNA-Origami haben wir nun eine Methode gefunden, die alle diese Anforderungen erfüllt. Sie erlaubt es uns, die dreidimensionale Form des entstehenden Objekts auf den Nanometer genau vorherzubestimmen“, sagt Professor Friedrich Simmel, Inhaber des Lehrstuhls für Biomolekulare Systeme und Bionanotechnologie an der TU München. „Allein programmiert durch die Abfolge der Grundbausteine, falten sie sich die Nanobausteine von alleine zu den gewünschten Strukturen.“ Dem Team um Friedrich Simmel gelang es, Nano-Wendeltreppen mit einer Stockwerkshöhe von 57 Nanometern und einen Durchmesser von 34 Nanometern herzustellen, an die in regelmäßigen Abständen Goldpartikel mit einem Durchmesser von zehn Nanometern angehängt sind.

An der Oberfläche der Goldpartikel reagieren die Elektronen mit dem elektromagnetischen Feld des Lichts. Der geringe Abstand der Partikel sorgt dabei dafür, dass die Goldpartikel eines DNA-Strangs zusammenwirken und die Wechselwirkungen um ein Vielfaches verstärken. Professor Alexander O. Govorov, theoretischer Physiker an der Ohio University in Athens, USA, hatte vorausgesagt, dass der Effekt von Abstand, Größe und Beschaffenheit der Metallpartikel abhängen sollte. Mit Hilfe der DNA-Origami-Methode bauten die Münchener Physiker daher Nanostrukturen auf, bei denen sie diese Parameter variierten.

Abb. 3: Bei der Wechselwirkung mit zirkular polarisiertem Licht haben die chemisch ansonsten identischen rechts- und linksgängigen Nano-Wendeltreppen deutlich unterschiedliche Eigenschaften.
Quelle: Technische Universität München

Die Ergebnisse dieser Experimenten bestätigten die Voraussagen ihrer Kollegen voll und ganz: Wässrige Lösungen von Nano-Wendeltreppen mit Rechts- und mit Linksgewinde unterscheiden sich sichtbar in ihrer Wechselwirkung mit zirkular polarisiertem Licht. Wendeltreppen mit größeren Partikeln zeigen eine deutlich stärkere optische Antwort als solche mit kleineren. Großen Einfluss hat auch die chemische Zusammensetzung der Partikel: Überzogen die Physiker die Goldpartikel mit einer zusätzlichen Silberschicht, so verschob sich die optische Resonanz vom roten in den kurzwelligeren blauen Bereich.

Im Zusammenspiel zwischen den theoretischen Berechnungen und den Möglichkeiten des DNA-Origami sind die Wissenschaftler nunmehr in der Lage nano-optische Materialien mit genau spezifizierbaren Eigenschaften herzustellen. Wohin ihre Forschung in Zukunft führen könnte, erklärt Professor Tim Liedl: „Wir werden jetzt untersuchen, ob wir mit dieser Methode auch den Brechungsindex der von uns hergestellten Materialien beeinflussen können. Materialien mit negativem Brechungsindex könnten zum Beispiel für die Entwicklung neuartiger optischer Linsensysteme, sogenannter Superlinsen, genutzt werden.“.

Quelle:

DNA-based Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures with Tailored Optical Response
A. Kuzyk, et. al., Nature 2012. DOI: 10.1038/nature10889

Bitte zitieren Sie die Seite wie folgt:

Schichten von organischen Halbleitern bilden sich leichter aufgedampft auf einem Silberkristall
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2012/mar/dna-materialien.shtm)

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