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Elektrostatisches Potenzial, um nanometergroße Objekte einzufangen

EU-geförderte Wissenschaftler führen gerade bahnbrechende Forschungsarbeiten zur Selbstanordnung nanometergroßer Objekte durch. Die daraus resultierende Erklärung der Mechanismen zum Einschluss und zur Kontrolle biologischer Moleküle findet auch international Anerkennung.
Elektrostatisches Potenzial, um nanometergroße Objekte einzufangen
Die Kontrolle selbstanordnender Nanostrukturen wie Nanopartikel (NP) oder Nanostäbchen (in der Dimension von Atomen oder Molekülen) bereitet den Weg für die Herstellung von Werkstoffen mit einzigartigen elektrischen, magnetischen und/oder optischen Eigenschaften. Die Regelung der Selbstanordnung durch das Einfangen nanometergroßer Objekte ist in Bereichen wie der Quantenoptik, Biophysik und der klinischen Medizin zu einem aktuellen Forschungsgebiet geworden, doch es bleibt eine technische Herausforderung.

Glücklicherweise entdeckten die Wissenschaftler unerwartete geometrieinduzierte Effekte beim Einschluss geladener Kolloide und Makromoleküle durch anziehende (elektrostatische) Wechselbeziehungen mit Einschlusswänden gleicher Ladung in schwach ionischen Lösungen. Sie riefen das EU-finanzierte Projekt "Self-assembly of confined colloidal objects for the study of nano-optic phenomena" (PHOTONANOFLUIDIX) ins Leben, um das Wesen dieser Effekte näher zu beleuchten.

Insbesondere untersuchen die Wissenschaftler den Ursprung dieser unerwarteten Anziehungskraft zwischen Einheiten gleicher Ladung sowie ihre Abhängigkeit von der Stärke der ionischen Lösung, der Partikelgröße und der Einschlussdimensionen. Ein derartiges Wissen wird ihnen ermöglichen, die Selbstanordnung geladener metallischer oder nichtleitender Nanoobjekte zu Kristallgittern zu optimieren, um Phänomene der Lichtstreuung (plasmonische und photonische Effekte) untersuchen zu können.

Im ersten Berichtszeitraum wurden interessante Fortschritte erzielt. Die Wissenschaftler wandten numerische Kalkulationen des elektrostatischen Potenzials an, um das im Versuch beobachtete Einfangen einzelner Nanoobjekte zu erklären. Es wurden weitere Versuche mit gefangenen Goldnanopartikeln in Lösungen verschiedener ionischer Stärke und mit unterschiedlicher Kanalgeometrie durchgeführt, die eine sehr gute Übereinstimmung von Theorie und Versuchsergebnissen aufwiesen.

Die Wissenschaftler wiesen auch das Einfangen einzelner Lipidbläschen nach und gingen damit weit über die ursprünglich beabsichtigte Arbeit hinaus. Sie zeigten, dass das elektrostatische Potenzial des ionischen Schlamms, das bedarfsgerecht räumlich moduliert wurde, gelöste geladene Objekte einfangen und frei schweben lassen kann. Dadurch ist eine kontaktfreie, gezielte Selbstanordnung einzelner Proteine und Makromoleküle in Anordnungen mit hoher Dichte möglich. Diese bahnbrechende Arbeit führte zu einer Veröffentlichung in der angesehenen, von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift Nature ((Nature 467, 692-695 (6. Oktober 2010)).

Ein verbessertes theoretisches Verständnis der grundlegenden Mechanismen zum Einfangen einzelner Nanoobjekte hat den Weg für einige unvorhergesehene Forschungen auf diesem Gebiet bereitet. Das Einfangen weicher biologischer Objekte verspricht interessante neue Anwendungsgebiete in der Biologie und Biophysik, die über die ursprünglich beabsichtigten optischen Anwendungen hinausgehen, oder vielleicht sogar in Kombination miteinander eingesetzt werden können.

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