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Schnüffler im Nanokosmos

Schwedische Forscher entwickeln neue Sensortechnik

Von Frank Grotelüschen

Schon mittelalterliche Fenstermacher und die Römer beherrschten Nanotechnologie.
Schon mittelalterliche Fenstermacher und die Römer beherrschten Nanotechnologie. (Stadt Regensburg, Peter Ferstl)

Physik. - Extreme Temperaturen, starke Drücke, hohe Säurewerte. Das sind die Bedingungen, wie sie für eine Chemiefabrik typisch sind. Nun ist es nicht einfach zu überwachen, was in diesen Anlagen im Detail passiert. Dafür braucht es Sensoren, die die harschen Bedingungen möglichst klaglos aushalten. Auf Basis der Nanotechnologe haben schwedische Forscher nun einen Prototyp für solche einen Super-Sensor gebaut.

Ein antiker Glaskelch, Rom, viertes Jahrhundert nach Christus. Er zeigt eine Szene der griechischen Mythologie: Eine Nymphe, verwandelt in einen Rebstock, hat einen Bösewicht umrankt und hält ihn gnadenlos umklammert. Das Erstaunlichste am Kelch aber ist sein wundersames Farbenspiel. Für gewöhnlich ist er grün. Doch hält man ihn gegen die Sonne, erscheint er plötzlich rot. Die Erklärung: Der antike Künstler hatte das Glas mit feinstem Staub aus Gold und Silber versetzt. Wenn die Staubteilchen das Licht reflektieren, leuchten sie grün. Doch wenn sie von Licht durchstrahlt werden, werden sie rot, sagt Christoph Langhammer, Physiker an der Technischen Hochschule Chalmers in Göteborg.

"Diese Technik wurde nicht nur von den Glasmachern in der Antike benutzt, sondern auch im Mittelalter, um Kirchenfenster zu färben. Ein eindrucksvolles Beispiel ist die Sainte Chapelle in Paris. Ihre Fenster enthalten ebenfalls Kügelchen aus Gold und Silber."

Die Kügelchen im Fensterglas leuchten in einem intensiven Rot, besonders bei Sonnenuntergang. Wahrscheinlich sollte damit die Illusion erzeugt werden, an den Kirchenfenstern rinne echtes Blut hinab. Spektakuläre Farbeffekte, doch warum sie einer Prise feinstem Edelmetallstaub zu verdanken sind, konnten die Künstler von damals nicht wissen. Dahinter steckt Nanotechnologie, denn die Partikel aus Gold und Silber messen nur einige Nanometer, einige Milliardstel Meter.

"Trifft Licht auf ein Nanoteilchen, passiert folgendes: In dem Nanoteilchen sind lauter Elektronen, die sich relativ frei bewegen können. Das Licht bringt die Elektronen dazu, eine kollektive Welle zu bilden, die im Nanoteilchen hin und her schwingt. Dadurch bilden die Elektronen eine Art hocheffektiven Lichtschlucker."

Plasmonen, so heißen die Elektronenwellen im Fachjargon. Im Kirchenfenster filtern sie die grünen Farbanteile aus dem Sonnenlicht heraus und lassen die roten passieren. Und weil die Elektronen quasi im Gleichtakt durch das Nanoteilchen wabern, bildet sich um das Teilchen herum ein starkes elektrisches Feld.

"Dieses Feld beeinflusst alles, was sich in unmittelbarer Nähe des Nanoteilchens aufhält. Und das bedeutet: Diese Plasmonen lassen sich sehr effektiv als Nanosensoren verwenden."

Einen solchen Nanosensor hat Christoph Langhammer nun gebaut. Er sieht aus wie ein schlichtes Plättchen aus gefärbtem Glas. Erst unter dem Mikroskop erkennt man die wahre Struktur: Das Glas ist beschichtet mit winzigen Goldplättchen, quasi mit Nano-Pfannkuchen. Trifft Licht auf den Sensor, schwingen die Elektronen in den Nano-Pfannkuchen heftig hin und her, alle im Gleichtakt. Dadurch erzeugen sie ein elektrisches Feld, es umgibt die Nanoteilchen wie eine Aura. Das Entscheidende: Alles, was in dieser Aura passiert, etwa eine chemische Reaktion, verändert die Aura. Das wiederum beeinflusst das Verhalten der Elektronen in den Gold-Teilchen – was sich mit einer optischen Auslesetechnik extrem empfindlich nachweisen lässt. Die Goldteilchen werden zu Schnüfflern im Nanokosmos.

"Unser Sensor kann die Reaktionen beobachten, die sich in einem Katalysator abspielen. Er kann herausfinden, wie effektiv sich Wasserstoff in Nanomaterialien speichern lässt. Und: Er funktioniert selbst unter harschen Bedingungen – bei extremen Drücken und Temperaturen, bei mehreren hundert bar und einigen tausend Grad."

Bedingungen, wie sie in den Produktionsanlagen der chemischen Industrie herrschen – und Bedingungen, bei denen andere Sensoren schlapp machen. Zwar ist der Sensor noch nicht reif für den Einsatz in der Industrie. Aber für Forschungslabors bietet ihn Langhammer bereits an – und zwar in einem eigens gegründeten Spin-Off-Unternehmen.

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