Einer Forschungsgruppe am Institut für Molekularwissenschaften ist es gelungen, die Links- und Rechtshändigkeit von Materialstrukturen im Nanomaßstab zu beobachten, indem sie chirale Gold-Nanostrukturen mit zirkular polarisiertem Licht beleuchtet und die optische Kraft erfasst hat, die auf eine Sonde in der Nähe der Nanostrukturen wirkt. Dieses Ergebnis zeigte, dass es möglich ist, die chirale Struktur von Materie im Nanomaßstab mit Licht zu analysieren.
Chiralität beschreibt die Eigenschaft einer Materialstruktur, sich nicht mit ihrem Spiegelbild überlagern zu können. Da die linke und rechte Hand, die Spiegelbilder voneinander sind, nicht zusammenfallen (sie sind nicht gleich), sind sie chiral.
Chirale Objekte können zwischen Rechts- und Linkshändigkeit unterschieden werden. Viele Substanzen, aus denen das Leben besteht, sind chiral, und oft existiert natürlicherweise nur eine der Rechts- oder Linkshändigkeiten. Auch bei neuen Funktionsmaterialien spielt ihre chirale Natur oft eine wichtige Rolle für die Funktionen.
Ein Merkmal solcher chiraler Materialien ist, dass sie auf rechts- und linkszirkular polarisiertes Licht unterschiedlich reagieren, was als chiro-optischer Effekt bekannt ist. Die Beobachtung des chiro-optischen Effekts im Nanomaßstab, der in der Nähe einer chiralen Substanz auftritt, war jedoch bisher nicht möglich.
In dieser Studie wurde der chiro-optische Effekt im Nanomaßstab mithilfe der photoinduzierten Kraftmikroskopie im optischen Kraftmodus (OF-PiFM) beobachtet, der die auf die Spitze in der Nähe des beleuchteten Objekts ausgeübte optische Kraft erfasst. Obwohl theoretisch angenommen wurde, dass der chiro-optische Effekt auf der Nanoskala mit OF-PiFM beobachtet werden könnte, wurden keine tatsächlichen Beobachtungen gemeldet. Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Buchstaben.
Die Forschungsgruppe konnte den chiro-optischen Effekt im Nanomaßstab erfolgreich beobachten, indem sie mithilfe von OF-PiFM die optische Kraft nachweiste, die auf die Sonde in der Nähe der chiralen Goldnanostruktur induzierte, die mit rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht beleuchtet wurde.
Als Probe zur Überprüfung der Wirksamkeit dieser Methode verwendete die Forschungsgruppe gammadionförmige Goldnanostrukturen.
Als Ergebnis der Abbildung der Gammadionstrukturen mit OF-PiFM wurden bei Beleuchtung mit rechtszirkular polarisiertem Licht unterschiedliche Bilder im Vergleich zu linkszirkular polarisiertem Licht erhalten.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass lokale Rechts- oder Linkshändigkeit im Nanobereich unter Verwendung von OF-PiFM mit zirkular polarisiertem Licht unterschieden und beobachtet werden kann.
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Junsuke Yamanishi et al., Nanoskopische Beobachtung der chiro-optischen Kraft, Nano-Buchstaben (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02534