Hochstrukturierte optische Materialien aus Proteincontainern und plasmonischen Nanopartikeln für die Manipulation von Licht auf der Nanoskala

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Beck
• Fachliche Zuordnung: Biologische und Biomimetische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401323995

In diesem Projekt wird eine Synthesestrategie für optische Materialien basierend auf Proteincontainern und Nanopartikeln etabliert. Die Materialien werden in der Lage sein, Licht auf der Nanoskala zu manipulieren, was in Metamaterialien und für Anwendungen wie Sensing, Plasmonen-Optik oder Lichtkollektoren wichtig ist. Zu diesem Zweck werden plasmonische Goldnanopartikel und Quantenpunkte zu hochstrukturierten plasmonischen und energieübertragenden Materialien angeordnet. Derzeit sind große Herausforderungen bei der Herstellung von Nanopartikelmaterialien die nicht-präzise Assemblierung, kleine Domänengrößen und lange Interpartikelabstände. Diese Einschränkungen werden durch die Verwendung von Proteincontainern als atomar präzise Ligandenhülle überwunden werden. Mit Proteincontainern als Bausteine werden Nanopartikel mit hoher Präzision zu mesoskaligen Materialien mit optischen Eigenschaften zusammengefügt, die aus Wechselwirkungen zwischen den Komponenten entstehen.Mit den jüngsten Fortschritten beim computergestützten Redesign von Proteincontainern ist es nun möglich, diese Ergebnisse mit Nanopartikelsynthese und Proteinkristallographie in einer sehr interdisziplinären Weise zu kombinieren. Eine neue Art von proteinbasiertem Material wird durch ein innovatives Designkonzept mit zwei entgegengesetzt geladenen Proteincontainern als Bausteine realisiert werden. Binäre Nanopartikelsupergitter mit zwei verschiedenen Nanopartikeln werden hergestellt werden. Für Energietransfermaterialien werden fluoreszierende Quantenpunkte mit plasmonischen Nanopartikeln zusammengefügt, um einen Energietransfer zwischen den Partikeln zu ermöglichen. Die hybriden Protein-Nanopartikel-Materialien haben einen hohen Partikelgehalt und zeigen kurze Interpartikelabstände (<10 nm, unterhalb des Partikeldurchmessers). Dies ist für starke Nahfeld-Wechselwirkungen wie die plasmonische Kopplung zwischen den Partikeln unerlässlich, um emergente Eigenschaften zu erzeugen, die jedoch aufgrund der dicken Linkermaterialien mit gegenwärtigen Ansätzen schwer zu erreichen sind. Da das Proteingerüst unabhängig von der Nanopartikelbeladung ist, ermöglicht dieser modulare Ansatz eine Einstellung der optischen Eigenschaften durch Wahl des Nanopartikelgehalts, des Assemblierungstyps und der Art des Proteincontainers.Das vorgeschlagene Projekt wird einen wesentlichen Beitrag zur Synthese und Charakterisierung von optischen Materialien auf der Basis von plasmonischen Nanopartikeln und Quantenpunkten leisten und ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie im Nanometerbereich für solche Systeme erreichen. Weiterhin können Materialien mit plasmonischen oder Energieübertragungseigenschaften zukünftig als plasmonische Wellenleiter oder nanoskopische Laser (Spaser) zur Manipulation von Lichtsignalen im Nanometerbereich eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen