Kostbare Zwerge

Forscher tüfteln mit Nanodiamanten

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Foto: Jörg Wrachtrup arbeitet im physikalischen Institut der Universität Stuttgart an einem Laserspektrometer und forscht damit an Nanodiamanten, winzigen Kohlenstoffverbindungen mit einem Durchmesser von millionstel Millimetern.

Stuttgart/Ulm - Im Kampf gegen Krebs oder beimNavigieren könnten sehr, sehr kleine Diamanten bald eine große Rolle spielen. Daran tüfteln auch deutsche Forscher – mit Laserstrahlen und Spinat.

Ähnlich wie auf einer Murmelbahn schießt der Laserstrahl durch die Apparatur: knickt hier um, biegt da links ab, wird dort in einem Prisma gebrochen. AmZiel angekommen entlarvt er die wahre Beschaffenheit des Nanodiamanten: Fürs menschliche Auge unsichtbar verbergen diese winzigen Kohlenstoffverbindungen oft fremde Stoffe, die zum Beispiel Magnetfelder erkennen und so beim Navigieren helfen.

Nanodiamanten können aber auch absichtlich gefüllt werden – unter anderem etwa mit Arzneien. Sie sollen dann deren Einsatz in der Medizin verbessern. Professor Jörg Wrachtrup und seinTeam erforschen am dritten Physikalischen Institut der Universität Stuttgart die inneren Werte der kostbaren Zwerge.

Von Nanodiamanten sprechen die Forscher bei einem Durchmesser von fünf Nanometer – also MillionstelMillimeter – oder kleiner. Sie bestehen aus nur einigen Hundert Kohlenstoffatomen. Entdeckt haben die Stuttgarter Forscher sie inZusammenarbeit mit einem russischen Team in Überresten eines Meteoriten aus Sibirien. „Wir haben festgestellt, dass die sehr stabil sind“, erklärt Wrachtrup.

Abhängig von den eingeschlossenen Fremdatomen verändern die Diamanten im Laserlicht ihre Farbe. So leuchtet Silizium beispielsweise rot auf. „Die meistenDiamanten scheinen zwar transparent, sind aber verunreinigt“, sagt Wrachtrup. Das gelte auch für die großen, sichtbaren, die beim Juwelier teuer gehandelt oder in der Industrie zum Schleifen von Metall verwendet werden.

In den Stuttgarter Laboren testen die Forscher, Stoffe wie Helium in Nanodiamanten zu schießen. Wie bei einer Schutzweste die Kugel bleibe das Atom irgendwann stecken, erklärt Wrachtrup. Dann wird bei rund 800 Grad die Schussbahn verschlossen. Fremdatome können aber auch aus den Diamanten entfernt werden. „Ausheilen“ nennt Wrachtrup das.

„Der Einsatz in der Zellbiologie steht vor der Tür“, meint er. Nanodiamanten könnten so gesteuert und mit Partikeln versetzt werden, dass sie im Zellkern die DNAverändern.Studien hätten etwa in der Tumortherapie gezeigt, dass bestimmte Arzneien so wirksamer werden.

Nanodiamanten sind nachEinschätzung von Nikolas Gunkel vomDeutschen Krebsforschungszentrum einer von vielen Wegen, hochgiftige Mittel in Tumorzellen anzureichern und die Verweildauer in den Zellen zu erhöhen. Allerdings hinkten sie anderen Methoden, die schon in der humanenTestphase sind, um etwa fünf Jahre hinterher. Nanodiamanten hätten ihre Wirksamkeit nämlich bislang erst in Mausmodellen gezeigt.

Ein anderes Anwendungsgebiet ist die Sensorik. Dank der Farbzentren erkennen einige Nanodiamanten magnetische Felder. Die Stuttgarter wollen etwa die Kompassfunktion von Smartphones verbessern. Irgendwann könnten mit Hilfe der Nanodiamanten auch neuronale Signale im Gehirn erfasst werden, sagt Wrachtrup.

An der Ulmer Uni hat ein Team um Professor Fedor Jelezko ein neues Verfahren entwickelt, mit dem der Eisengehalt im menschlichen Körper gemessen werden kann. Dabei machten sich die Forscher zunutze, dass Eisen ein Magnet ist, Eisenatome also magnetische Felder ausbilden. Mit Mini-Magnetfeldsensoren auf Basis von Nanodiamanten können die Wissenschaftler diese erfassen – etwa nach dem Verzehr von Spinat.

In einem weiteren Schritt sollen Nanodiamantensensoren bald in der Lage sein, winzige Magnetfelder des Kernspins zu messen. Dies wird es nach Einschätzung Jelezkos ermöglichen, die Magnetresonanztomographie (MRT) auf einzelne Moleküle anzuwenden. „Es geht darum, die Moleküle nicht nur aufzuspüren, sondern sie auch dreidimensional abzubilden.“

Denn umAbläufe in Organismen zu verstehen sei nicht nur die Reihenfolge der Aminosäuren wichtig, sondern auch die Struktur eines Moleküls. Und für die Ermittlung gebe es im Moment keine geeigneten Methoden, sagt er. „Vor allem nicht in natürlichen Bedingungen.“

Die erhofften Erkenntnisse könnten laut Jelezko einen tieferen Einblick in dieWirkung vonMedikamenten bringen. „Wenn man versteht, wie molekulare Prozesse ablaufen, könnten Nebenwirkungen reduziert werden.“ Bislang werde mit blinden Screenings gearbeitet, die lange dauern und eher auf Vermutungen aufbauten.

Bis der Verbraucher von den Forschungen etwas mitbekommt, wird es noch eine ganze Weile dauern. Aber immerhin 50 bis 60 Gruppen weltweit befassen sich inzwischen mit Nanodiamanten, wie Wrachtrup schätzt. „Und die Industrie ist auch schon interessiert.“ Für den kommerziellen Einsatz sind Nanodiamanten noch viel zu teuer: Zehn Gramm präpariertes Material kosten laut Wrachtrup 50.000 bis 100.000 Euro. „Das muss mindestens um den Faktor 100 reduziert werden.“

dpa

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