3D-Nanodruck trifft Faseroptik: Eine neuartige Glasfaser ermöglicht es, Nanopartikel direkt in Flüssigkeiten zu beobachten

Forschende entwickeln eine Glasfaser, die nicht nur Licht leitet, sondern Nanopartikel in Bewegung sichtbar macht. Sie öffnet ein Fenster in die Welt der kleinsten Teilchen und schafft die Grundlage für neue Werkzeuge für Bioanalytik und Umweltforschung.

Ein präzise geführter Lichtstrahl durchleuchtet einen winzigen Hohlraum aus Glas und macht sichtbar, wie sich Nanopartikel in Flüssigkeit bewegen. Forschende am Leibniz-IPHT haben eine neuartige Glasfaser entwickelt, die nicht nur Licht leitet, sondern zugleich als Messkammer dient. Damit können sie beobachten, wie kleinste Teilchen – etwa Goldnanopartikel – in einer Flüssigkeit diffundieren. Was bislang nur mit aufwendiger Mikroskopie möglich war, gelingt nun mit einer faserbasierten Technologie, die präzise, handlich und robust ist.

Hohlkern auf der Faserspitze

Im Zentrum der Arbeit steht ein sogenannter Hohlkernwellenleiter: eine mikroskopisch kleine, hohle Lichtleitung. Diana Pereira, Erstautorin der Studie und Gastforscherin aus Portugal, hat gemeinsam mit Prof. Dr. Markus Schmidt und seinem Team der Forschungsabteilung Faserphotonik sowie der Technologiegruppe für Sensorsysteme und Systemintegration eine Methode entwickelt, um diesen Hohlkernwellenleiter direkt auf die Spitze einer handelsüblichen Glasfaser zu drucken. Mit einem hochpräzisen 3D-Nanodruckverfahren entsteht dabei eine quadratische Röhre aus transparentem Polymer, exakt ausgerichtet auf den Faserquerschnitt.

„Das Besondere an diesem Ansatz ist, dass alles aus einem Guss entsteht“, erklärt Markus Schmidt. „Wir verbinden das Labormodul direkt mit der Glasfaser: ohne Linsen, ohne Justage. Dadurch ist die Anwendung sehr viel stabiler und flexibler.“

Wie sich Licht im ­Hohlraum verhält

Die Lichtführung im Hohlkern ist nahezu verlustfrei, die Polarisation – also die Schwingrichtung des Lichts – lässt sich exakt steuern, und die Integration in die Faser macht das System kompakt und ausrichtungsfrei. Das Licht interagiert fast vollständig mit dem Medium im Hohlraum; nahezu 100 Prozent der optischen Energie liegen dort, wo die Teilchen schwimmen. Diese enge Kopplung ermöglicht eine besonders empfindliche Messung.

Wie Nanopartikel sichtbar werden

Um die Leistungsfähigkeit der neuen Struktur zu zeigen, führten die Forschenden ein Experiment durch, das bisherigen optischen Methoden häufig Grenzen setzt: Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA). Dabei wird die zufällige Bewegung einzelner Teilchen – ihre sogenannte Brownsche Bewegung – beobachtet, um Größe und physikalische Eigenschaften zu bestimmen.

Dazu füllten die Forschenden die winzige Hohlkammer am Faserende mit einer verdünnten Lösung aus Goldnanopartikeln. Ein Laserstrahl, der durch die Faser in den Hohlraum geleitet wurde, diente als Beleuchtung. Die Kamera eines Mikroskops zeichnete das gestreute Licht einzelner Partikel auf, während sie im Hohlraum diffundierten.

Handliche Faser statt ­großes Mikroskop

Das Neue an diesem Ansatz liegt in der Kombination aus Nanodruck und faserbasierter Integration. Bisherige Methoden, Nanopartikel zu beobachten, arbeiten meist mit großen, empfindlichen Mikroskopen. Das Team um Markus Schmidt zeigt nun, dass eine handliche Glasfaser denselben Zweck erfüllen kann, und dies mit hoher Genauigkeit. Zugleich ist der Aufbau vollständig monolithisch: Die Lichtführung, die Messkammer und die optische Kopplung sind Teil eines einzigen Bauteils.

Von der Bioanalytik bis zur Quantentechnologie

Die Forschenden sehen viele Anwendungsmöglichkeiten für die neue Technologie. In der Bioanalytik könnte sie helfen, Proteine, Viren oder extrazelluläre Vesikel zu untersuchen, ohne sie chemisch zu markieren. In der Umweltwissenschaft ließen sich winzige Partikel in Wasserproben direkt in der Faser nachweisen. Und auch in den Quantentechnologien oder der optischen Manipulation von Nanoteilchen eröffnet das Konzept neue Wege.

Ein Fenster in die Nanowelt

In nächsten Schritten will das Team die Struktur weiterentwickeln, zum Beispiel durch längere Hohlleiter, um Lichtverluste zu reduzieren, oder durch zusätzliche Nanostrukturen, die gezielt bestimmte Lichtmoden anregen. Auch eine funktionale Beschichtung mit Molekülen oder Metallen ist denkbar, um chemische Reaktionen oder Plasmoneneffekte zu nutzen. Eine Glasfaser wird so nicht nur zum Lichtleiter, sondern zu einem mikroskopischen Labor: einem Fenster in die Welt der kleinsten Teilchen.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41377-025-01827-9