Plasmonische Nanostrukturen mit adressierbaren Hotspots

Maßgeschneiderte Materialien, aufgebaut aus nanometer-großen Bausteinen, sind ein wesentlicher Bestandteil aktueller Forschung und Technologien und sind der Grundpfeiler eines weiten, interdisziplinären Forschungsfeldes. Unter diesen spielen metallische Nanopartikel (NP) eine wichtige Rolle, da diese durch lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSPR) einzigartige optische Eigenschaften zeigen. Diese stammen von gekoppelten Oszillationen der Elektronendichte und daraus resultierender starker Konzentration das elektromagnetische (EM) Feldes, die eine Reihe von Anwendung ermöglicht, beispielsweise für die Verstärkung schwacher Signale in optischer Spektroskopie, Raman Spektroskopie sowie Photoinitiation chemischer Reaktionen. Eine der größten Herausforderungen bei der experimentellen Umsetzung solcher plasmonischer Nanomaterialien ist das gezielte und selektive räumliche Aufbringen von (bio)chemischen Substanzen auf Bereichen der metallischen Nanopartikel die als plamonischer Hotspot bezeichnet werden. An diesen Hotspots ist das EM Feld durch die LSPR am stärksten konzentriert und die Wechselwirkung mit den Molekülen wird maximiert. Dieses Forschungsvorhaben zielt auf einen neuen Ansatz zur gezielten Funktionalisierung von plasmonischen Hotspots mit chemischen und biologischen Substanzen, der speziell für Sensoranwendungen interessant ist. Er basiert auf plasmonenverstärkter Multi-Photonen- Absorption (MPA), kombiniert mit spezieller Photochemie und funktionalen Polymeren. Durch die Verwendung von licht-vernetzendem Polymer, das ein funktionales Hydrogel am Hotspot bildet, wird eine neue Klasse von maßgeschneiderten plasmonischen Nanomaterialien mit aktiv konfigurierbarer Geometrie mit einem Spektrum an absorbierenden und streuenden Moden entwickelt. Diese Materialien werden so geplant, dass Moleküle wie Liganden, die spezifische Biomoleküle aus flüssigen Proben binden, in solchen Hotspots gezielt aufgebracht werden können. Diese werden dann in fortschrittlichen Biosensor-Untersuchungen basiert auf plasmonen-verstärkter Fluoreszenz und oberflächenverstärkter Raman Spektroskopie eingesetzt zu werden und profitieren von den durch äußere Einflüsse steuerbaren Eigenschaften. Hauptverantwortlich für die Durchführung dieses Projekts sind Antragsteller Dr. Yevhenii Morozov und Co-Antragsteller Dr. Jakub Dostalek (AIT).

Es wurde eine Methode zur Herstellung fortschrittlicher biofunktionaler Materialien mit präziser Kontrolle über die Anbringung von Molekülen entwickelt. Durch die Nutzung der Multiphotonen-Vernetzung und eines vielseitigen Polymer-Werkzeugsatzes eröffnet dieser innovative Ansatz neue Möglichkeiten zur Verbesserung verschiedener Technologien, die unser tägliches Leben verbessern. Diese biofunktionalen Materialien bieten Potenzial in Bereichen wie Gesundheitswesen und Umweltanwendungen, wo ihre einzigartigen Eigenschaften die Leistung erheblich verbessern können. Eines der bemerkenswerten Merkmale dieser Materialien ist ihre Fähigkeit, auf Temperaturänderungen zu reagieren, was eine Steuerung und Kontrolle in Echtzeit ermöglicht. Stellen Sie sich Geräte vor, die sich an die natürliche Wärme unseres Körpers anpassen und darauf reagieren können und so eine personalisierte und effiziente Funktionalität bieten. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung intelligenter Systeme und tragbarer Technologien, die sich nahtlos in unseren Körper integrieren. Aus wissenschaftlicher Sicht verbessert dieser Ansatz die Art und Weise, wie wir molekulare Wechselwirkungen auf der Nanoskala untersuchen und manipulieren. Durch die präzise Steuerung des Abstands zwischen Molekülen und Nanostrukturen können wir wertvolle Erkenntnisse über Biosensorik, Einzelmolekülinteraktionen und andere innovative Forschungsbereiche gewinnen. Die Methode bietet Wissenschaftlern die Möglichkeit, die komplizierte Welt der molekularen Wechselwirkungen mit höchster Präzision zu untersuchen und zu verstehen. Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse dienen als Sprungbrett für die Entwicklung einer neuen Generation multifunktionaler Nanomaterialien. Durch die Kombination von Biofunktionalität, Thermosensibilität und präziser Kontrolle der molekularen Anhaftung ebnen sie den Weg für die Schaffung äußerst vielseitiger Materialien, die hoffentlich die Zukunft der Technologie und der wissenschaftlichen Erforschung prägen werden.