Nanokristalle endgültig an- und ausschalten
Im Jahr 2021 gelang eine faszinierende Entdeckung: Lanthanoid-dotierte Nanopartikel können eine extreme lichterzeugende Kettenreaktion auslösen. Jetzt konnten die Forschenden, teils unterstützt durch das EU-finanzierte Projekt AETSOM, die Nanopartikel dazu bringen, ihr Licht gezielt und auf unbestimmte Zeit ein- und auszuschalten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Organische Farbstoffe und fluoreszierende Proteine, die beispielsweise in optischen Speichern und in der biomedizinischen Bildgebung Anwendung finden, blinken in der Regel zufällig, bis sie schließlich ihre fluoreszierende Eigenschaft verlieren und endgültig ausgehen. Dies wird als Photobleichung bezeichnet. Lanthanoid-dotierte Nanokristalle hingegen sind bemerkenswert photostabil. In einer Pressemitteilung auf „EurekAlert!“ heißt es, dass die Forschenden im Labor des Erstautors der Studie, dem außerordentlichen Professor P. James Schuck an der Universität Columbia in den Vereinigten Staaten, einem AETSOM-Projektpartner, in den vielen Jahren ihrer Forschung noch nie einen Nanokristall haben sterben sehen. Im Jahr 2018 beobachteten sie dann, wie ein Kristall dunkel wurde und erneut aufleuchtete. Weitere Untersuchungen führten zu der Entdeckung, dass sich das Blinkverhalten von optischen Lanthanoid-Fasern kontrollieren lässt. Um sicherzugehen, dass sie tatsächlich das erste vollständig photostabile, photoschaltbare Nanopartikel gefunden hatten, verwendete das Team Nahinfrarotlicht, um die Nanokristalle in verschiedenen Außen- oder Wasserumgebungen zu verdunkeln und aufzuhellen. Nach mehr als 1 000 Lichtveränderungen gab es immer noch keine Anzeichen für eine Abnahme der Fluoreszenz. „Wir können diese Partikel, die keine anderweitige Photobleichung aufweisen, mit einer Lichtwellenlänge aus- und auch wieder einschalten, mit ganz gewöhnlichen Lasern“, erklärte der Hauptautor der Studie, Dr. Changhwan Lee, Postdoktorand an der Universität Columbia.
Mögliche Anwendungen
Wie in der Pressemitteilung berichtet, zeigte das Team, wie die Nanopartikel zum Schreiben und Umschreiben von Mustern auf 3D-Substraten verwendet werden können. Mit dieser Technik könnten die optische Datenspeicherung mit hoher Dichte und auch Computerspeicher in Zukunft verbessert werden. „Mit diesem unbegrenzt und bidirektional photoschaltenden Nanokristall könnte ein rein optischer Quantenspeicher für die Speicherung der riesigen Datenmengen von Quantencomputern geschaffen werden – stellen Sie sich CD-ROMs und CD-RWs vor, nur schneller und viel präziser“, ergänzt der Mitautor Prof. Yung Doug Suh vom Korea Research Institute of Chemical Technology in Südkorea. Neben dem Fortschritt bei der optischen Datenspeicherung könnten photoschaltbare Nanopartikel viele weitere Türen öffnen: Viele andere Technologien könnten weiterentwickelt werden, von superauflösender Bildgebung und Nanophotonik bis hin zu gezielter Pharmakologie, Optogenetik und chemischer Reaktivität. Aber wie ist das möglich? Wie läuft die Photoschaltung in diesen Nanokristallen ab? Das Team kommentiert in der Studie, dass die Photoumschaltung wohl auf atomare Kristalldefekte zurückzuführen ist, die so klein sind, dass sie selbst mit den modernsten Elektronenmikroskopen nicht sichtbar sind. „Diese Defekte verschieben die Grenzwerte für die Entladung der Partikel nach oben oder unten und können durch verschiedene Lichtwellenlängen umgeschaltet werden, um das Signal zu verdunkeln oder aufzuhellen“, heißt es in der Pressemitteilung. Diese Studie kam völlig unerwartet, berichtet der Mitautor Dr. Bruce Cohen vom Lawrence Berkeley National Laboratory in den Vereinigten Staaten. „Seit unserer Veröffentlichung von 2009 haben wir behauptet, dass sich diese Klasse von Nanopartikeln nicht ein- und ausschalten lässt, und doch erforschen wir jetzt genau das. Eine der grundlegenden Erkenntnisse zu diesen Nanopartikeln ist, dass merkwürdige Ergebnisse Teil der Forschung sind.“ AETSOM (Engineering a solution to the „resolution gap“ problem for probing local optoelectronic properties in low-dimensional materials) wird durch die Hebräische Universität Jerusalem koordiniert. Das Projekt endet im August 2024. Weitere Informationen: AETSOM-Projekt
Schlüsselbegriffe
AETSOM, Nanopartikel, Nanokristall, Licht, Lanthanoid, Photoschaltung
