Besser sehen durch Schall

Besser sehen durch Schall

Physik-News vom 27.09.2018

Eine neue, vielversprechende Mikroskopiemethode wurde an der TU Wien entwickelt – die „Nanomechanische Absorptions-Mikroskopie“. Gemessen wird dabei nicht Licht, sondern Schall.

Einzelne Moleküle kann man nicht fotografieren. Wenn man Objekte abbilden will, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, muss man sich besondere Tricks einfallen lassen. Man verwendet etwa Elektronenmikroskope oder bestimmt die Position bestimmter fluoreszierender Moleküle, indem man eine große Zahl von Bildern nacheinander aufnimmt.

Ein Team der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien konnte jetzt nach jahrelanger Forschung eine neue Mikroskopie-Methode präsentieren, mit der man einzelne Moleküle abbilden und sogar zuverlässig bestimmen kann. Die Moleküle werden auf einer winzigen Membran platziert und mit einem Laser bestrahlt. Gemessen wird, wie sich das Schwingungsverhalten der Membran dadurch verändert. Die entscheidende Messgröße ist somit nicht Licht, sondern eine mechanische Schwingung – also Schall. Veröffentlicht wurde die neue Methode nun im renommierten Fachjournal PNAS.


Aufnahme einzelner Moleküle - mit Hilfe von Schall

Publikation:


Chien et al.
Single-molecule optical absorption imaging by nanomechanical photothermal sensing
PNAS (2018)

DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1804174115



Das Molekül auf der Membran

Prof. Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung und winzigen mechanischen Strukturen. „Wir bringen einzelne Moleküle auf ganz bestimmte, extrem dünne Membranen auf“, erklärt er. „Danach wird die Membran von einem Laserstrahl abgetastet.“

Die Wellenlänge des Laserlichts wird so gewählt, dass es besonders stark mit dem gesuchten Molekül wechselwirkt. Trifft der Laserstrahl auf das Molekül, nimmt es Energie auf und erwärmt dadurch die Membran in seiner Umgebung. Diese Erwärmung wiederum bewirkt, dass sich die Schwingfrequenz der Membran verstimmt.

„Man kann sich das vorstellen wie eine kleine Trommel“, erklärt Silvan Schmid. „Wenn sich die Trommelmembran erwärmt, wird sich auch das Trommelgeräusch ändern. Dasselbe geschieht bei unseren Mikro-Membranen.“

Die Membran schwingt mit einer Frequenz in der Größenordnung von etwa 20 Kilohertz – das entspricht einem sehr hohen Ton, in einem Frequenzbereich den zumindest Kinder normalerweise gerade noch hören können. Das Geräusch der Membran im nanomechanischen Absorptions-Mikroskop ist aber freilich viel zu leise um wahrgenommen zu werden. Es wird mit optischen Sensoren gemessen.


Silvan Schmid und Miao-Hsuan Chien

Wenn man die gesamte Membran Punkt für Punkt mit dem Laser beleuchtet und jedes Mal die akustische „Verstimmung“ der Membran misst, kann man dann berechnen, wo ein Molekül sitzt – und so lässt sich ein Bild mit hohem Kontrast erzeugen. „Wir haben die Methode auf Fluorophore angewandt, das sind fluoreszierende Moleküle, die auch mit anderen Methoden abgebildet werden können. Dadurch konnten wir zeigen, dass unser Schwingungs-Bild tatsächlich stimmt“, sagt Silvan Schmid. „Unsere Methode lässt sich allerdings auch auf andere Moleküle anwenden. Man muss nur die Wellenlänge des Laserlichts richtig wählen.“

Auf die Membran kommt es an

Entscheidend für das Funktionieren der neuen Methode war, passende Membranen herzustellen. „Wir benötigen ein Material, das sein Schwingungsverhalten möglichst deutlich ändert, wenn es durch einzelne Moleküle lokal erwärmt wird“, sagt Silvan Schmid. „Gelungen ist uns das schließlich mit Siliziumnitrid-Membranen mit einer Oberfläche aus Siliziumoxid.“

Silvan Schmids Forschungsteam arbeitete bei diesem Projekt mit der Biophysik-Forschungsgruppe von Prof. Gerhard Schütz (ebenfalls TU Wien) zusammen, die sich auf besonders herausfordernde Mikroskopie-Techniken spezialisiert hat.



Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie gibt es viele: „Unsere neue Methode liefert ein sehr deutliches, klares Signal. Dadurch ist sie für viele Bereiche interessant. Man kann auf diese Weise einzelne Moleküle lokalisieren und analysieren, man kann Detektoren für winzige Stoffmengen bauen, man kann sie aber auch für die Festkörper-Forschung einsetzen, etwa um elektronische Schwingungen in Nano-Antennen zu messen“, sagt Silvan Schmid.

Diese Newsmeldung wurde mit Material von idw-online erstellt



   5 Meldungen
08.05.2020
Akustik - Optik
Licht, Ton, Action: Mit Licht das Leben von Schallwellen verlängern
Informationen, die durch Licht übertragen werden, können in Schallwellen gespeichert werden, die sich 100 000 mal langsamer als Licht bewegen.
27.09.2018
Akustik
Besser sehen durch Schall
Eine neue, vielversprechende Mikroskopiemethode wurde an der TU Wien entwickelt – die „Nanomechanische Absorptions-Mikroskopie“. Gemessen wird dabei nicht Licht, sondern Schall.
27.09.2018
Akustik
Mit dem Rauschen arbeiten
Rauschen ist meistens ein unerwünschtes Phänomen, etwa bei einem aufgenom-menen Gespräch bei Umgebungslärm, astronomischen Beobachtungen mit großen Hintergrundsignalen oder bei der Bildverarbeitung.
05.08.2018
Akustik - Biophysik
Akustische Oberflächenwellen geben in neuronalem Netz den Ton an
Biophysiker aus Augsburg und Santa Barbara berichten in "Physical Review E" über das erstmalige Gelingen einer gezielten dynamischen Positionierung von Nervenzellen auf einem Chip.
03.07.2018
Akustik - Wellenlehre
Wie man Schallwellen durchs Labyrinth lenkt
Eine Wellen-Manipulationstechnik der TU Wien wurde nun erstmal im Experiment getestet: Schallwellen lassen sich damit mühelos durch komplizierte Strukturen leiten.

News der letzten 7 Tage     7 Meldungen


25.11.2020
Astrophysik - Biophysik
Gesund bis zum Mars
Tübinger Wissenschaftlerin untersucht mit internationalem Weltraumforschungsteam die Einflüsse der Raumfahrt auf den menschlichen Körper.
23.11.2020
Galaxien - Milchstraße
Stammbaum der Milchstraße
Galaxien wie die Milchstraße sind durch das Verschmelzen von kleineren Vorgängergalaxien entstanden.
23.11.2020
Quantenphysik
Nanodiamanten vollständig integriert kontrollieren
Physikerinnen und Physikern ist es gelungen, Nanodiamanten vollständig in nanophotonischen Schaltkreisen zu integrieren und gleichzeitig mehrere dieser Nanodiamanten optisch zu adressieren. Die Studie schafft Grundlagen für zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantensensorik oder Quanteninformationsverarbeitung.
25.11.2020
Sterne - Teilchenphysik
Der Sonne ein Stück näher
Der Borexino-Kollaboration, an der auch Wissenschaftler der TU Dresden beteiligt sind, ist es nach über 80 Jahren gelungen, den Bethe-Weizsäcker-Zyklus experimentell zu bestätigen.
19.11.2020
Sterne - Astrophysik - Physikgeschichte
Entfernungen von Sternen
1838 gewann Friedrich Wilhelm Bessel das Wettrennen um die Messung der ersten Entfernung zu einem anderen Stern mit Hilfe der trigonometrischen Parallaxe - und legte damit die erste Entfernungsskala des Universums fest.
19.11.2020
Plasmaphysik - Quantenoptik
Was Sterne zum Leuchten bringt
Internationales Forschungsteam der Universitäten in Berkeley, Madrid und Jena sowie des Institut Polytechnique de Paris beobachtet in Laborversuchen nichtlineare Ionisationsvorgänge in heißen dichten Plasmen.
19.11.2020
Elektrodynamik - Teilchenphysik
Einbahnstraße für Elektronen
Ein internationales Wissenschaftlerteam hat experimentell beobachtet, dass konischen Durchschneidungen - ein quantenmechanisches Phänomen - für einen ultraschnellen, gerichteten Energietransport zwischen benachbarten Molekülen eines Nanomaterials sorgen.