von KATJA MARIA ENGEL
Normalerweise beschießt Holger Lange seine Proben mit einem Laser. Doch als er sie einmal in einem Becherglas einfach ans Fenster hielt, war der Effekt, der ihn interessierte, auch so zu sehen: Die sonst unscheinbare Flüssigkeit, in der eine winzige Menge kleiner Goldpartikel schwamm, verfärbte sich im einfallenden Sonnenlicht in ein sattes Rot.
Der Physiker Holger Lange forscht an der Universität Hamburg am Institut für Physikalische Chemie an sogenannten Plasmonen. Er sieht in ihnen ein Potenzial, die Welt ärmer an Kohlenstoff zu machen. Auch auf der Agenda anderer Plasmonen-Forscher steht das als Ziel. Ihnen geht es darum, das Klimagas Kohlendioxid aus der Luft einzufangen und chemische Reaktionen zu beschleunigen, mit denen sich Biokraftstoffe herstellen lassen. Oder sie wollen Solarzellen effizienter machen. Mithilfe von Plasmonen können Sensoren einzelne Moleküle oder Viren nachweisen. Und das physikalische Phänomen wird sogar schon kommerziell genutzt: in Schwangerschaftsteststreifen.
Doch was sind Plasmonen? Trifft eine elektromagnetische Welle wie Licht auf metallische Partikel im Nanometerformat, kann sie die Elektronen an deren Oberfläche zu gemeinsamen Schwingungen anregen.
Wie ein Steinwurf ins Wasser
Den quantenphysikalischen Effekt, der sichtbar wird, wenn winzige gelöste Gold-Kügelchen ans Fenster gehalten werden und dabei rot leuchten, vergleicht der Physiker und Materialforscher Harry A. Atwater vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena mit einem See, in den man einen Stein wirft: Kurz darauf breiten sich kräuselnde Wellen auf dem Wasser aus. Etwas Ähnliches geschieht, wenn Licht auf winzige Metallpartikel fällt. Der See entspricht dann der Oberfläche des Metallteilchens, das aus Gold, Silber oder Kupfer bestehen kann – Metallen, in denen Elektronen frei beweglich sind. Die Schwingungen breiten sich auf ihrer Oberfläche wellenartig aus wie eine La-Ola-Welle im Fußballstadion – ein anderes anschauliches Bild für den Quanteneffekt.
Doch es braucht bestimmte Bedingungen, um ihn hervorrufen zu können. Normalerweise reflektiert Metall Lichtwellen. Doch wenn die Metallteilchen nicht größer als etwa 100 Nanometer (millionstel Millimeter) sind, treten Lichtwellen mit den beweglichen Elektronen auf der Oberfläche in Resonanz und erzeugen gekoppelte Schwingungen. Das Licht gibt dabei einen Teil seiner Energie ab, indem es die Elektronen zu „plasmonischen Wellen“ anregt. Experimentell nachgewiesen haben Wissenschaftler dieses exotische Phänomen zum ersten Mal in den 1980er-Jahren.
Wasser spalten mit Lichtenergie
Seitdem wird versucht, die auf diese Weise vom Licht abgezapfte Energie zu nutzen, um etwa chemische Reaktionen anzutreiben. Ein Beispiel dafür ist die Spaltung von Wasser mittels Photokatalyse. Dafür wird bislang meist das Verfahren der Elektrolyse verwendet. Doch die benötigt elektrischen Strom, um Wasser in seine Bestandteile zu spalten und so Wasserstoff verfügbar zu machen. Die Photokatalyse dagegen braucht – ähnlich wie in der Natur – nur Licht für die Reaktion.
