Leuchtkraft der Quantenpunkte

Prof. Dr. Claudia Wickleder beschäftigt sich mit den optischen Eigenschaften von Nanokristallen. Für die Anwendung in neuartigen Displays, Sensoren und als Tumor-Marker ist die Leuchtkraft dieser sogenannten Quantenpunkte bedeutsam. Gemeinsam mit dem Studenten Moritz Dango arbeitet sie an der Synthetisierung von Quantenpunkten aus Silberverbindungen.

Der Nobelpreis für Chemie ging im vergangenen Jahr an drei Wissenschaftler für deren Arbeiten an Quantenpunkten. Quantenpunkte (englisch: Quantum Dots) gehören zu einem Forschungsgebiet, mit dem sich auch Prof. Dr. Claudia Wickleder an der Universität Siegen beschäftigt. Einer ihrer Studenten, Moritz Dango, hat gerade eine mit dem Alumni-Preis Chemie-Biologie ausgezeichnete Bachelorarbeit zu dem Thema geschrieben. Er wird außerdem mit einem Stipendium im Rahmen des Studienförderfonds der Uni Siegen gefördert. Moritz Dango arbeitet aktuell an der Synthetisierung von Quantenpunkten basierend auf Silber-Sulfid und Silber-Selenid.

Quantenpunkte sind winzige Kristalle aus Halbleitermaterialien. „Wir reden hier von nanoskopischen Strukturen, also von millionstel Millimetern“, so die Professorin der Anorganischen Chemie. Wegen der besonderen optischen Eigenschaften sind Quantenpunkte ideale Materialien für moderne Fernseher (Q-LEDs), aber auch für medizinische oder biologische Sensoren. Zukünftig sind weitere, innovative Anwendungen von Quantenpunkten geplant.

Die optischen Eigenschaften von Q-LEDs interessierten auch Claudia Wickleder. Sie forscht schon lange zu leuchtenden und nachleuchtenden Nanopartikeln. Wichtig sind diese nicht nur für die Industrie, sondern auch in der Medizin. „Quantenpunkte haben den großen Vorteil, dass sie suspendierbar sind, sich also nicht lösen, sondern in Flüssigkeit schweben“, erklärt die Wissenschaftlerin. Sie sind damit injizierbar und als mögliche Tumormarker von Interesse. Quantenpunkte können nämlich Licht emittieren und zwar je nach ihrer Größe in unterschiedlichen Farben.

Um das genauer zu erläutern, zückt Claudia Wickleder Stift und Papier. „Bei den Quantenpunkten bewegen sich Elektronen in einem sehr begrenzten Raum.“ Sie zeichnet Rechtecke mit Punkten darin. „Hier“, sagt sie und ergänzt einige Pfeile. „Wenn hier ein Elektron von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand springt, dann wird Licht ausgestrahlt.“ Sie zeichnet weitere Kästchen in unterschiedlichen Abständen. „Das Spannende ist nun, dass sich, je nachdem wie groß die Abstände der elektronischen Zustände im Quantenpunkt sind, sich die Leuchtfarbe verändert. Große Quantenpunkt senden langwelligen rotes Licht aus, kleine Quantenpunkte strahlen kurzwelliges, blaues Licht ab.“  Quantenpunkte erzeugen somit Licht, dessen Wellenlänge und damit Farbe über die Größe einstellbar ist. Quantenpunkte werden aus unterschiedlichen Verbindungen hergestellt. Die bekannten Materialien beinhalten aber giftiges Cadmium. „Deshalb konzentrieren wir uns – gerade in Hinblick auf die medizinische Nutzung – auf Silber-Chalcogenide.“

Chemiestudent Moritz Dango entwickelt dazu Quantenpunkte aus Silbersulfid und Silberselenid. Diese leuchten im Infrarotbereich und eignen sich daher besonders für medizinische Sensorik, da Gewebe nicht für sichtbares Licht, aber für IR-Strahlung durchlässig ist. Silbersulfid und Silberselenid sind darüber hinaus aufgrund ihrer geringen Toxizität von Vorteil. Während Moritz Dango für Silber-Sulfid bereits weitreichende Erfolge erzielt hat, sind die Forschungen für Silber-Selenid noch nicht abgeschlossen. Schließlich steht ja auch seine Masterarbeit noch an.

An dem Thema möchte Dango gern weiter forschen, auch weil die Möglichkeiten in der Anwendung so vielfältig sind. Quantenpunkte gelten als Schlüsseltechnologie in der Elektronik. Sie können im Bereich der Sicherheitstechnik eine Rolle spielen und sind in der Biomedizin und Umwelttechnik von Bedeutung, so dass Quantenpunkte weltweit Gegenstand intensiver Forschung sind, an der sich auch die Wissenschaftler*innen der Universität Siegen weiter beteiligen.