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News: Farbenfrohe Nanowelt

Kennen Sie diese Briefbeschwerer, bei denen mit einem Laser in einen transparenten Glas- oder Kunststoffblock ein dreidimensionales Motiv eingebrannt wurde? An ganz ähnlicher Kunst haben sich nun Wissenschaftler versucht, nur das jetzt sogar Farbe ins Spiel kommt.
Klein, aber oho: Nanopartikel sind so winzig, dass sie eine Art Zwischenstellung zwischen einzelnen Atomen und normalen Feststoffpartikeln einnehmen – entsprechend interessant sind ihre optischen und elektronischen Eigenschaften. Beispielsweise bestimmt die Größe eines Partikels, welche Wellenlängen des Lichts er absorbiert und damit in welcher Farbe er erscheint.

Genau das hat nun ein japanisch-chinesisches Forscherteam um Jianrong Qiu vom Shanghai-Institut für Optik und Feinmechanik ausgenutzt, um farbenfrohe dreidimensionale Bilder in transparenten Materialien zu erzeugen. Als Ausgangsmaterial dient ein mit Goldoxid dotiertes Silikatglas. Wird es mit einem Laser bestrahlt, entstehen winzige graue Pünktchen an den fokussierten Stellen. Durch abrastern eines Glasblocks malten die Wissenschaftler beispielsweise peu à peu einen etwa 5 Millimeter mal 5 Millimeter messenden grauen Schmetterling in das Glas, dessen feine Details gestochen scharf aufgelöst sind. Doch so richtig ansehnlich wurde der Schmetterling erst, nachdem das Glas für einige Zeit bei rund 550 Grad Celsius "gebacken" wurde. Diese Behandlung verlieh dem Schmetterling schnell ein buntes Äußeres – und zwar in Abhängigkeit von der Intensität des zuvor eingestrahlten Laserlichtes in beliebigen Violett-, Rot- oder Gelb-Tönen. Mehr noch: War das Gemälde nicht gelungen, reichte ein Tastendruck und erneutes Bestrahlen mit dem Laser, und die Farbe war wieder gelöscht. Wie das?

Durch den enorm hohen Energieeintrag der kurzen Laserpulse können Elektronen an den bestrahlten Stellen des Glases genug Energie aufnehmen, um sich von ihren Atomkernen zu trennen. Diese freien Elektronen können nun wiederum von den Gold-Ionen aufgenommen werden, die daraufhin zu Gold-Atomen reduziert werden. Beim anschließenden Erhitzen erhalten die Atome schließlich die nötige Energie, um sich aus dem Silikat-Netzwerk zu lösen und auf Wanderschaft zu gehen. Treffen sie dabei auf andere Gold-Atome, dann sammeln sie sich zu winzigen Klümpchen – den Nanopartikeln.

Je höher die Lichtintensität des Lasers gewählt war, desto mehr reduzierte Gold-Atome entstehen pro Volumeneinheit. Beim Erhitzen finden sich diese dann zu einer entsprechend großen Zahl von Nanoteilchen zusammen, wobei die einzelnen Nanopartikel bei einem großen Angebot an reduzierten Gold-Atomen kleiner ausfallen als bei einem geringen Angebot. Ein erneutes Bestrahlen mit dem Laser zerbricht hingegen die Nanopartikel wieder in winzige Bruchstücke und Atome, sodass das bestrahlte Areal wieder transparent wird.

Doch wozu kann dieser Prozess dienen? Der ästhetisch-künstlerische Aspekt der neuen Technik spielt nur eine untergeordnete Rolle. Mit Edelmetall-Nanoteilchen dotierte Materialien sind nämlich heiße Kandidaten für ultraschnelle optische Schaltelemente der Optoelektronik. So ließen sich damit vielleicht extrem schnelle dreidimensionale optische Speicher mit ultrahoher Speicherdichte verwirklichen. In Gläsern mit hohem Gehalt an Gold-Ionen hofft das Team außerdem, komplette dreidimensionale Nano-Schaltkreise aus Gold herstellen zu können. Bislang war die räumliche Verteilung der Nanopartikel innerhalb des Materials eine schwierige Hürde. Diese scheint das Team um Qiu genommen zu haben.

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