Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanopartikel nach Maß

23.04.2008
Magdeburger Forscher züchten in Mikroemulsionen gezielt Teilchen bestimmter Größe und Gestalt
Im Kleinen macht’s die Größe. Egal ob optisch, elektrisch oder chemisch - die Eigenschaften von Nanopartikeln hängen von ihren Maßen und ihrer Gestalt ab. Wie sich diese gezielt beeinflussen lassen, haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg nun untersucht, und zwar an Bariumsulfat-Teilchen in einer Mikroemulsion. Demnach werden Größe und Form der Partikel sowohl von den Mengenverhältnissen der Ausgangsstoffe als auch von der Art und Weise bestimmt, wie die Wissenschaftler diese zusammenbringen. Die Forscher haben zudem Details des Wachstums aufgedeckt. Sie hoffen daher, dieses künftig noch besser steuern zu können (Langmuir, 15. April 2008; DOI: 10.1021/1a703566v)

Strahlend weiß, chemisch kaum angreifbar, in Wasser unlöslich und durchlässig für Röntgenstrahlen - das sind die Merkmale, denen Partikel aus Bariumsulfat viele Anwendungen verdanken: in Farben und Tinten, als Zusatz von Medikamenten, als Füllmittel in Kunststoffen und als Kontrastmittel in der Medizin. Um die Eigenschaften des Materials besser beeinflussen zu können, wollen Chemiker gezielt Partikel von bestimmter Größe und Form produzieren. Die Wissenschaftler des Magdeburger Max-Planck-Instituts ermöglichen das nun im Nanomaßstab.

Nanopartikel nach Maß: Die sechseckigen, rund 36 Nanometer messenden Bariumsulfat-Partikel entstehen, wenn die Magdeburger Forscher zwei Mikroemulsionen mischen, die jeweils einen Ausgangsstoff enthalten - und zwar den einen 20 Mal höher konzentriert als den anderen. Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme

"Wir verstehen jetzt besser, wie sich die Partikel bilden", erklärt Kai Sundmacher, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme: "Daher können wir über die Prozessbedingungen auch das Ergebnis beeinflussen." Dabei lassen sich ihre Erkenntnisse auch auf andere Substanzen als Bariumsulfat übertragen.

Tröpfchen als Nanoreaktoren

Nanopartikel lassen sich auf vielfältige Weise herstellen - durch Abscheiden von Dampf, Ätzen, Mahlen, um nur einige Methoden zu nennen. Manche davon sind sehr aufwendig, andere liefern keine Teilchen von einheitlicher Größe, und sie eignen sich immer nur für bestimmte Substanzen. Die Magdeburger Prozessingenieure haben sich nun einem weiteren Verfahren gewidmet, um Nanopartikel maßzuschneidern, die wie Bariumsulfat-Teilchen in Lösungen entstehen.

"Wir nutzen die Tröpfchen einer Mikroemulsion als Nanoreaktoren", erklärt Kai Sundmacher. Emulsionen sind Mischungen von Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen - die eine Flüssigkeit bildet daher Tröpfchen, die in der anderen schweben. Allmählich trennen sie sich jedoch, weshalb sich in unbehandelter Milch der Rahm absetzt. Emulgatoren oder Tenside, deren eines Ende im Wasser und deren anderes Ende in Fett löslich ist, verhindern das. Sie legen sich um die Tröpfchen, buchstäblich vermittelnd zwischen Wasser und Fett, und halten so die Tröpfchen in der Schwebe.

Solche Tenside verwenden die Magdeburger Wissenschaftler, um zwei Emulsionen mit den Ausgangsstoffen für Bariumsulfat anzurichten: den beiden Salzen Bariumchlorid und Kaliumsulfat. Diese Substanzen sind jeweils als wässrige Lösungen in Tröpfchen verpackt, die in der wasserabstoßenden Flüssigkeit Cyclohexan schweben. Die eine Emulsion leiten die Forscher nun rasch in die andere. Die Tröpfchen mit den unterschiedlichen Frachten schließen sich dann kurzzeitig zusammen, sodass Bariumchlorid und Kaliumsulfatlösungen miteinander in Kontakt kommen. Sofort bilden sich winzige Kristalle des wasserunlöslichen Bariumsulfats, die allmählich wachsen. Solange bis sie die Tröpfchen ganz ausfüllen.

Die Grenzen des Wachstums

Die Größe der Tröpfchen setzt dem Wachstum der Mikropartikel also eine Grenze: Weil die Tröpfchen nur sechs Nanometer messen, werden auch die Bariumsulfatkristalle nicht größer -zunächst. Endgültig stoppt das Wachstum hier nur, wenn die Forscher Emulsionen miteinander vermengen, die die Ausgangsstoffe in jeweils gleicher Konzentration enthalten. Unterscheiden sich die Konzentrationen in den beiden Emulsionen, wachsen die Nanopartikel weiter: bis sie rund 16 Nanometer groß sind, wenn die Forscher einen Ausgangsstoff zehnfach konzentrierter einsetzen als den anderen, und sogar bis zu etwa 36 Nanometer bei einem 20fachen Konzentrationsunterschied.

Warum der Überschuss eines Salzes wachstumsfördernd auf die Bariumsulfatpartikel wirkt, ist noch nicht völlig geklärt. Offenbar verringert er die Löslichkeit des Tensids. Dann wiederum wirkt das Tensid nicht mehr so effektiv dem Streben der Wassertröpfchen, sich zu vereinigen, entgegen. Es bilden sich größere Tröpfchen, in denen sich auch die Bariumsulfatkristalle zu größeren Partikeln zusammenschließen.

"Dieser Mechanismus spiegelt sich auch im zeitlichen Verlauf des Wachstums wider, den wir beobachtet haben", sagt Kai Sundmacher. Zu diesem Zweck haben die Wissenschaftler während der Reaktion Proben entnommen, eingefroren und unter einem Transmissionselektronenmikroskop untersucht. Recht schnell sahen sie darin die sechs Nanometer großen Kristalle. Erst allmählich bildeten sich größere Teilchen. Und sie veränderten ihre Gestalt. Während die kleinsten Kristalle kugelförmig sind, formen die Teilchen mittlerer Größe rechteckige Plättchen und die größten sechseckige Plättchen.

Einfaches Rezept für eine Partikelmischung

Bei Bedarf können die Wissenschaftler mithilfe der Mikroemulsionen auch Mischungen von Partikeln zweier Größen und Formen herstellen: Mit unterschiedlich stark konzentrierten Ausgangsstoffen züchten sie erst größere Partikel. Anschließend leiten sie in dasselbe Reaktionsgemisch eine Emulsion, die das Defizit des geringer konzentrierten Stoffes ausgleicht - jetzt entstehen kleinere Teilchen. Die Partikel unterschiedlicher Größe lassen sich zwar auch gesondert produzieren und anschließend mischen. Dann allerdings müssen Partikel aus zwei Reaktionslösungen abgetrennt und gereinigt werden - was im großtechnischen Maßstab aufwendig und teuer ist. "Unser wichtigstes Ziel ist immer, Prozesse so einfach wie möglich zu gestalten", sagt Kai Sundmacher.

Originalveröffentlichung:

Björn Niemann, Peter Veit und Kai Sundmacher
Nanoparticle Precipitation in Reverse Microemulsions: Particle Formation Dynamics and Tailoring of Particle Size Distributions

Langmuir, 15. April 2008; DOI: 10.1021/1a703566v

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Bariumsulfat Emulsion Mikroemulsion Nanometer Nanopartikel Partikel Tensid

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress
23.02.2018 | Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

nachricht Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für molekulare Genetik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics