Detektivarbeit en miniature - Mit nanostrukturierten Goldantennen auf Spurensuche

Datum

10.02.2020

Was in Kriminalfilmen häufig futuristisch in der fernen Zukunft spielt, ist für andere schon heute beruflicher Alltag wie z.B. das Aufspüren von Verunreinigungen in Medikamenten, von Schadstoffen in Wasser und Lebensmitteln oder von Sprengstoffen an Flughäfen. Beispiele, die für uns überlebenswichtig sein können, wobei der Nachweis kleinster Spuren von Stoffen essentiell ist.

Durch den Einsatz nanostrukturierter Goldantennen, welche Lichtfelder zehntausendfach verstärken können, will das Projekt "NanoStruct" an der Universität Würzburg diesen Nachweis besser, reproduzierbarer und günstiger machen.

Dabei geht es um das verlässliche Aufspüren kleinster Spuren gefährlicher Stoffe, wobei die hierfür verwendete Methode Stoffe zweifelsfrei identifizieren können muss, und das insbesondere auch dann noch, wenn nur kleinste Mengen vorhanden sind.

Wie können gefährliche Substanzen entdeckt werden?

Der Nachweis solcher Spuren kann durch eine bestimmte Messmethode, die sogenannte Raman-Spektroskopie, durchgeführt werden. Hierbei erzeugen Moleküle aufgrund ihrer Schwingungen charakteristische optische Signale, die - wie ein Fingerabdruck - die genaue Zuordnung der Substanz ermöglichen. Raman-Signale sind im Allgemeinen aber sehr schwach. Abhilfe schaffen können jedoch spezielle metallische Nanostrukturen - optische Antennen - welche in der Lage sind, Raman-Signale millionenfach zu verstärken. Anforderungen an diese Nanostrukturen sind eine immer bessere Reproduzierbarkeit und Leistungsfähigkeit. Hier will das Gründungsvorhaben "NanoStruct" ansetzen.

Die Innovation von NanoStruct

Die Besonderheit bei "NanoStruct" ist zum einen das spezielle Ausgangsmaterial: ultradünne Goldeinkristalle, die zugleich eine große Fläche besitzen und somit Platz für zehntausende Nanostrukturen bieten. Zum anderen ist es eine innovative Fertigungsmethode, die auf dieses Ausgangsmaterial abgestimmt ist. Durch Kombination dieser beiden Innovationen will das Team die Herstellung hochgenauer metallischer Nanostrukturen im kommerziellen Maßstab ermöglichen.

Durch die großflächige und gleichmäßige Strukturierung dieser ultradünnen Goldkristalle sollen kommerziell interessante "Licht-Antennen-Chips" entstehen, welche das Signal der gesuchten Moleküle um mehrere Größenordnungen verstärken können. Gegenüber bestehenden Ansätzen erwartet das "NanoStruct" Team eine höhere Verstärkung von Raman-Signalen und aufgrund der Gleichförmigkeit der Nanostrukturen eine verbesserte Reproduzierbarkeit des Signals.

Für Anwendungen bedeutet das:

• Kleinere Mengen einer Substanz werden nachweisbar und
• durch die bessere Reproduzierbarkeit der Messungen kann eine höhere Verlässlichkeit und Aussagekraft bei der Erkennung von Schadstoffen erreicht werden.

Basierend auf den vielfältigen Anwendungsfeldern von metallischen Nanostrukturen sollen in Zukunft weitere innovative Anwendungsfelder ins Auge gefasst werden.

Die Idee zu NanoStruct

Der Grundstein des Vorhabens wurde durch das Teammitglied Enno Krauss gelegt, welcher sich in der "Bio-Photonics and Nano-Optics"-Arbeitsgruppe von Professor Dr. Bert Hecht, am Lehrstuhl für Experimentelle Physik 5 der Universität Würzburg, mit der Entwicklung und Strukturierung ultradünner Goldeinkristalle beschäftigte. Hier entstand die Idee, das Ausgangsmaterial mit einer innovativen Fertigungsmethode zu kombinieren und kommerziell zu nutzen.

Mit der Physikerin Dr. Henriette Maaß und dem Chemiker Dr. Thien Anh Le wurde schnell ein Team aus verschiedenen Fachrichtungen gefunden, das sich im Frühjahr 2019 erfolgreich im Rahmen des EXIST-Forschungstransfers bewarb, einem Schwerpunkt des Programms EXIST, das aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) und des Europäischen Sozialfonds (ESF) gefördert wird. Rat und Unterstützung fand das Team hierfür beim Servicezentrum Forschung und Technologietransfer (SFT) der Julius-Maximilians-Universität (JMU), das universitäre Gründungsprojekte betreut. Die Ausgründung soll im Laufe des Jahres 2020 erfolgen.

Das Ziel von "NanoStruct" ist es, ein wachstumsstarkes Unternehmen zu werden, das neueste wissenschaftliche Erkenntnisse aufgreift, um diese als innovative Produkte Kunden aus Wirtschaft und Wissenschaft zur Verfügung zu stellen.

Das ESF-Bundesprogramm "EXIST"

Ziel des ESF-Bundesprogramms "EXIST" ist es, das Gründungsklima an Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen zu verbessern. Darüber hinaus sollen die Anzahl und der Erfolg technologieorientierter und wissensbasierter Unternehmensgründungen erhöht werden.

"EXIST" umfasst drei Förderprogrammlinien:

1. Mit "EXIST-Forschungstransfer" werden herausragende forschungsbasierte Gründungsvorhaben, die mit aufwändigen und risikoreichen Entwicklungsarbeiten verbunden sind, gefördert.
2. Das "EXIST-Gründerstipendium" fördert die Vorbereitung innovativer Existenzgründungen aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen, insbesondere die Erstellung eines tragfähigen Businessplans und die Entwicklung marktfähiger Produkte und Dienstleistungen.
3. "EXIST-Gründungskultur" wird in Form eines Wettbewerbs "Die Gründerhochschule" durchgeführt. Ziel ist es, hochschulweite Gesamtstrategien zu entwickeln und diese umzusetzen, um eine Gründungskultur und mehr Unternehmergeist an Hochschulen zu etablieren. Im November 2018 ist mit der Richtlinie " EXIST-Potentiale " eine neue Wettbewerbsrunde in "EXIST-Gründungskultur" gestartet. "EXIST-Potentiale" wird ausschließlich vom Bund gefördert.