Mit dem Nano-Ohr in die Stille lauschen - Nanopartikel detektieren winzigste akustische Schwingungen

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Wie laut krabbelt ein Floh? Welche Schallwellen verursacht ein wanderndes Bakterium? Physikern des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) ist es erstmals gelungen, Schallwellen im Größenbereich dieses Mikrokosmos zu messen. Als Nano-Ohr fungiert ein einzelnes Goldnanopartikel, das in einem Laserstrahl in der Schwebe gehalten wird. Das Partikel schwingt durch die minimale akustische Anregung um wenige Nanometer parallel zur Schallrichtung. Diese Auslenkung können die Wissenschaftler um Dr. Andrey Lutich vom Lehrstuhl von Professor Jochen Feldmann an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München mit einer herkömmlichen Videokamera und einem Dunkelfeldmikroskop optisch nachweisen.

Das Nano-Ohr ist in der Lage, Lautstärken von etwa -60 Dezibel (dB) zu detektieren. Es ist damit eine Millionen Mal empfindlicher als das menschliche Ohr, das bei 0 dB seine untere Hörgrenze hat. (Physical Review Letters, Januar 2012)

Die neue Methode der Münchner Physiker öffnet der Wissenschaft eine neue Welt: Erstmals können unsichtbare, schwächste Bewegungen, sprich Schallwellen, über ein einzelnes Goldnanopartikel sichtbar gemacht werden. Das Nano-Ohr entwickelten die Forscher in zwei Etappen. „Zunächst haben wir mit einer stärkeren Schallquelle gezeigt, dass die Methode grundsätzlich funktioniert“, erläutert der Gruppenleiter Andrey Lutich. „In einem zweiten Schritt konnten wir dann eine noch deutlich schwächere akustische Anregung nachweisen.“ Zentrales Element ist in beiden Fällen ein 60 Nanometer großes Goldnanopartikel, das über einen roten Laserstrahl, eine sogenannte optische Falle, in der Schwebe gehalten wird. Jedes Experiment läuft in einem Wassertropfen auf einem Objektträger ab.

Im ersten Fall dient eine Nadel als Schallquelle. Sie wird auf einen aktiven Lautsprecher geklebt und sendet Schallwellen in Richtung des Goldpartikels. Mit einem Dunkelfeld-Mikroskop mit einer aufgesetzten, herkömmlichen Digitalkamera gelang es den Wissenschaftlern, die Schwingung des Partikels optisch nachzuweisen. Die 30 Sekunden langen Filmaufnahmen zeigen deutlich, wie das Goldpartikel parallel zur Schallrichtung hin und her schwingt.

Im zweiten Fall fixierten die Physiker über das sogenannte Nanoprinting-Verfahren eine kleine Menge Goldnanopartikel auf dem Objektträger. Die Partikel werden mit einem grünen Laser angeregt, erwärmen sich und senden daraufhin sehr schwache Schallwellen in Richtung des einzelnen, schwebenden Goldnanopartikels.

Dabei beeinflussen die Schallwellen das Partikel so schwach, dass seine Auslenkung mit den gegebenen optischen Methoden nicht direkt nachweisbar ist. Mithilfe der mathematischen Fourier-Transformation zeigten die Wissenschaftler jedoch, dass im Frequenzspektrum der Bewegung des Partikels genau die Frequenz der Schallquelle deutlich verstärkt ist. Versuche bei anderen Frequenzen bestätigten diese Beobachtung und somit die hohe Empfindlichkeit des Nano-Ohrs.

„Mit dem Nano-Ohr haben wir ein Nano-Mikrofon entwickelt, mit dem wir näher als je zuvor an mikroskopisch kleine Objekte herankommen“, erklärt Alexander Ohlinger, Erstautor der Publikation. „Kleinste Bewegungen können über die Schwingungen eines Goldnanopartikels sichtbar gemacht werden.“ Auf diese Weise kann das Nano-Ohr wichtige Informationen über winzige Bewegungen von Zellen, Zellorganellen oder künstlichen mikroskopisch kleinen Objekten liefern. Und das alles ist möglich ohne teure High-End-Geräte, sondern mit gut etablierten Methoden. (NIM)

Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München (idw)