Optische Mikromanipulation

 

Die Möglichkeit, Materie im Bereich von Mikro- oder Nanometern zu kontrollieren, d.h. festzuhalten, zu bewegen, zu strukturieren und zu ordnen ist entscheidend für ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Besonderheiten in der Mikro- und Nanotechnologie.

Einerseits kann man durch optische Mikromanipulation winzige Partikel (seien es leblose Objekte wie einfache Mikrokugeln oder Nanocontainer oder lebende Organismen wie Bakterien) auf kleinsten Längenskalen definierten Situationen aussetzen und z.B. durch Beobachtung von Streuprozessen, gegenseitiger Wechselwirkung oder Interaktion mit der Umgebung Rückschlüsse auf elementare physikalische Eigenschaften ziehen. Andererseits kann aber auch die Strukturierung und Ordnung auf kleinsten Skalen selbst erstaunliche makroskopische Eigenschaften bedingen. Das Verständnis und die Nutzung dieser auf mikroskopischer Ordnung beruhenden Eigenschaften könnte der Schlüssel sein zur Entwicklung völlig neuartiger Materialien.

In unserer Arbeitsgruppe nutzen wir derzeit hauptsächlich zwei komplementäre Verfahren zur Mikromanipulation. Optische Pinzetten (auch Laserfallen, engl: optical tweezers) sind besonders dann geeignet, wenn die sehr präzise Kontrolle einzelner, weniger bis hin zu einigen hundert Partikeln gefordert ist. Neben der Nutzung mittlerweile etablierter Konzepte wie einfachen und holographischen optischen Pinzetten sind wir dabei immer an einer Weiterentwicklung der Manipulation durch Lichtfelder für die Untersuchung konkreter, teilweise sehr spezieller Fragestellungen interessiert. Insbesondere die Verwendung strukturierter Lichtfelder und gegenläufiger optischer Fallen stand in jüngster Vergangenheit im Fokus der Forschung.

Einen völlig anderen Ansatz verfolgt die Kontrolle von Mikropartikeln über dielektrophoretische Kräfte. In geeigneten Materialien können durch strukturierte Beleuchtung großflächige und dennoch sehr feine strukturierte elektrische Felder induziert werden. Ungeladene, dielektrische Partikel richten sich nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten an diesen elektrischen Feldern aus. Dadurch wird es möglich, makroskopische Strukturen mit mikroskopischer Feinstrukturierung aus einer großen Anzahl einzelner Partikel zu erzeugen. Je nach Material kann die Struktur dynamisch angepasst werden und erlaubt damit eine Reorganisation der Strukturen in Echtzeit. In diesem Zusammenhang spricht man in Analogie zu optischen Pinzetten auch von optoelektronischen Pinzetten (engl: optioelectronic tweezers).