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Nanoröhrchen sehen alles
25.03.09 – Katherine Bourzac
Forscher an den Sandia National Laboratories im kalifornischen Livermore haben erstmals Komponenten aus Kohlenstoffnanoröhrchen geschaffen, die Licht des gesamten sichtbaren Spektrums nachweisen können. Die klitzekleinen Bauteile könnten eines Tages zahlreiche Anwendungsbereiche finden – von Solarzellen, die mehr Licht absorbieren über Minikameras, die auch unter sehr schlechten Lichtbedingungen arbeiten bis hin zu verbesserten künstlichen Netzhäuten.
Wissenschaftler hatten bereits Nanoröhrchen präsentiert, die Licht spezifischer Wellenlängen detektieren konnten, darunter auch ultraviolettes Licht. Das gesamte sichtbare Spektrum wurde jedoch noch nie abgedeckt. "Das ist deshalb ein wichtiger Meilenstein", sagt George Grüner, Professor für Physik an der University of California, Los Angeles, und Leiter der dortigen Nano-Biophysik-Gruppe, der die Studie kennt.
Die Lichtsensoren innerhalb einer digitalen Kamera, Charge-coupled Devices oder auch CCD genannt, wandeln Licht in elektrische Signale um, weil Photonen, die Silizium bombardieren, Elektronendefektstellen in dem Material erzeugen. Lichtsensoren aus Kohlenstoffnanoröhrchen arbeiten dagegen ähnlich wie biologische Augen. Auf ihnen sitzen drei Arten von Chromophoren – Moleküle, die ihre Form in Reaktion auf bestimmte Lichtwellenlängen verändern. Diese Formveränderung sorgt für eine Ausrichtungsänderung innerhalb des Nanoröhrchens, was wiederum dessen Leitfähigkeit beeinflusst. Aus diesem Wert lässt sich Farbe und Intensität des Lichtes ablesen. Die Sandia-Forscher schufen drei Arten von Chromophoren, die entweder auf die roten, grünen oder blauen Bereiche des sichtbaren Lichtspektrums reagieren.
Noch befindet sich die Forschungsarbeit in einem frühen Stadium. Die Technik verspricht jedoch einige Vorteile gegenüber heutigen Lichtsensorchips zu haben. Zu den wichtigsten gehörten die standardmäßige hohe Auflösung und geringe Größe, sagt Sandia-Forscher Xinjian Zhou. Die Auflösung entspricht dabei dem Durchmesser jedes Nanoröhrchens von einem Nanometer. Weil man aus solchen Nanoröhrchen ein sehr kleines Array zusammenstellen kann, wären künftige Geräte auch unter schlechten Lichtbedingungen sehr empfindlich. Interessant dürfte auch die Produktion werden: Sie könnte mittels Druckverfahren auf flexiblen Polymerschichten erfolgen. Dieser Herstellungsprozess wäre kostengünstig und vermutlich auch biokompatibler als aktuelle Ideen, Netzhautimplantate umzusetzen.
Zur Herstellung der ersten Prototypen benötigten die Sandia-Forscher viel Schweiß. Sie brachten einzelne Kohlenstoffnanoröhrchen auf einen Silizium-Wafer auf – eines nach dem anderen. Dann wurden elektrische Kontakte an den Enden angebracht. Mit diesem Prozess dauerte der Bau nur einer Einzelkomponente mehrere Tage. Die Chromophoren-Anbringung war hingegen simpel: Geben die Sandia-Forscher einen Tropfen einer entsprechenden Lösung auf die Komponenten, haften sie sich selbständig an die Außenhaut. "Die Chromophoren besitzen Fugen, die an den Nanoröhrchen kleben", erklärt Zhou.
Das Hochskalieren dieses Prozesses dürfte nicht besonders schwer werden, weil andere Forscher bereits wissen, wie sich große Netzwerke aus Nanoröhrchen bilden lassen, sagt Grüner. "Man kann ein solches Netz aufsprühen, dann Kontakte anbringen und diese dann mit den lichtempfindlichen Molekülen kombinieren, die die Sandia-Forscher entwickelt haben."
Zhou ergänzt, dass sein Team bereits an neuen Nanoröhrchen arbeitet, die auf infrarotes Licht reagieren. Außerdem soll die Empfindlichkeit für sichtbares Licht weiter verbessert werden. "Wir haben nur eine dünne Schicht aus Chromophoren und das meiste Licht wird nicht absorbiert", sagt er. Geplant sei, sie in dickeren Schichten anzuordnen und kleine Antennen zu ergänzen, die als Lichtkonzentratoren dienen.
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