Wohl­ge­ord­ne­te Gold­par­ti­kel – eine soli­de Basis für neue Erkennt­nis­se über Molekülstrukturen

Die gelben Kugeln sind die Goldpartikel, die regelmäßig angeordnet sind und so einfallendes Licht (schematisch als Wellenlinie dargestellt) lokal verstärken.

Die gel­ben Kugeln sind die Gold­par­ti­kel, die regel­mä­ßig ange­ord­net sind und so ein­fal­len­des Licht (sche­ma­tisch als Wel­len­li­nie dar­ge­stellt) lokal verstärken.

(UBT) Nano­struk­tu­rier­te Ober­flä­chen kon­trol­liert und mit hoher Prä­zi­si­on her­stel­len zu kön­nen, bis hin zu makro­sko­pi­schen Flä­chen von meh­re­ren Qua­drat­zen­ti­me­tern – dies ist eine Kern­kom­pe­tenz von Prof. Dr. Andre­as Fery und sei­nem Team am Lehr­stuhl Phy­si­ka­li­sche Che­mie II der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Gemein­sam mit Part­nern an der Uni­ver­si­tät Vigo sind die Bay­reu­ther Wis­sen­schaft­ler jetzt auf eine zukunfts­wei­sen­de Anwen­dung gesto­ßen: Ober­flä­chen las­sen sich gezielt so struk­tu­rie­ren, dass sie die Erfor­schung von Mole­kül­struk­tu­ren erheb­lich voranbringen.

In der Zeit­schrift “Che­mi­cal Sci­ence” haben sie über ihre Ent­deckung berich­tet. Schon seit lan­gem kommt bei der spek­tro­sko­pi­schen Unter­su­chung ein­zel­ner Mole­kü­le ein Ver­fah­ren zum Ein­satz, für das in der Che­mie die Abkür­zung SERS („Sur­face Enhan­ced Raman Scat­te­ring“) geläu­fig ist. Dabei wer­den hohe Feld­stär­ken, die an metal­li­schen Ober­flä­chen auf­tre­ten, für eine Ver­stär­kung von Licht­si­gna­len genutzt. Bis­her hat­te die­ses Ver­fah­ren einen wesent­li­chen Nach­teil: Solan­ge sich die hohen Feld­stär­ken nur zufäl­lig und regel­los über die metal­li­sche Ober­flä­che ver­tei­len, lei­det dar­un­ter die Zuver­läs­sig­keit der spek­tro­sko­pi­schen Unter­su­chung. Mehr noch: Die Ergeb­nis­se las­sen sich nicht unter exakt glei­chen Bedin­gun­gen wiederholen.

An die­ser Stel­le setzt die neue For­schungs­idee aus Bay­reuth an. Dem For­schungs­team um Fery ist es durch kon­trol­lier­te Fal­ten­bil­dung gelun­gen, nano­struk­tu­rier­te Ober­flä­chen mit ein­fa­chen Mustern her­zu­stel­len, die durch den Wech­sel von Erhe­bun­gen und Ver­tie­fun­gen defi­niert sind. In den Erhe­bun­gen, und nur hier, befin­den sich Gold­par­ti­kel. Benach­bar­te Gold­par­ti­kel lie­gen dabei in immer glei­chen Abstän­den so dicht neben­ein­an­der, dass hohe Feld­stär­ken auf­tre­ten. Was die neu­en Ober­flä­chen daher für die SERS-Spek­tro­sko­pie so attrak­tiv macht, ist die ziel­ge­nau her­bei­ge­führ­te, regel­haf­te Anord­nung hoher Feld­stär­ken. Genau dies ist eine soli­de Basis für zuver­läs­si­ge und wie­der­hol­ba­re Ein­blicke in den Auf­bau von Molekülen.

Es ist kein gro­ßer tech­ni­scher Auf­wand erfor­der­lich, damit die Gold­par­ti­kel nur durch win­zi­ge, immer glei­che Abstän­de von­ein­an­der getrennt sind. Im Gegen­teil, die Gold­par­ti­kel fügen sich auf dem Weg der Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on in die­se gleich­för­mi­ge Struk­tur. Des­halb sind die neu­en nano­struk­tu­rier­ten Ober­flä­chen auch ein Erfolg des DFG-Son­der­for­schungs­be­reichs 840 an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth. Im Mit­tel­punkt des 2009 ein­ge­rich­te­ten SFB steht die Meso­tech­no­lo­gie. Die­se will Nano­par­ti­kel zu kom­ple­xe­ren Funk­ti­ons­sy­ste­men ver­knüp­fen, deren Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen dann auf der makro­sko­pi­schen Ebe­ne für neue Anwen­dun­gen genutzt wer­den kön­nen. Pro­zes­se der Selbst­or­ga­ni­sa­ti­on sind dabei von zen­tra­ler Bedeutung.

Die Bay­reu­ther For­schungs­grup­pe und ihre Mit­strei­ter in Spa­ni­en haben ihre Ergeb­nis­se in der Titel­ge­schich­te der zwei­ten Aus­ga­be von “Che­mi­cal Sci­ence” vor­ge­stellt. Die­se Zeit­schrift wur­de erst 2010 von der Roy­al Socie­ty of Che­mi­s­try, der größ­ten euro­päi­schen Orga­ni­sa­ti­on auf dem Gebiet der Che­mie, ins Leben geru­fen – als ein neu­es inter­na­tio­na­les Flagg­schiff für beson­ders inno­va­ti­ve Forschungsbeiträge.

Ver­öf­fent­li­chung:

Nico­las Pazos-Perez, Wei­hai Ni, Alex­an­dra Schwei­kart, Ramon A. Alvarez-Puebla,
Andre­as Fery and Luis M. Liz-Marzan,
High­ly uni­form SERS sub­stra­tes for­med by wrink­le-con­fi­ned dry­ing of gold colloids,
in: Che­mi­cal Sci­ence (2010), Vol. 1, No. 2, pp. 174–178
DOI-Book­mark: 10.1039/C0SC00132E

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