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 Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen
20.11.2017 | Technische Universität München

nachricht Satellitenbilder zur Erfassung von Biodiversität nur bedingt tauglich
20.11.2017 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

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: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

500 Kommunikatoren zu Gast in Braunschweig

20.11.2017 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum „Gefährdungsanalyse Trinkwasser"

20.11.2017 | Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Künstliche neuronale Netze: 5-Achs-Fräsbearbeitung lernt, sich selbst zu optimieren

20.11.2017 | Informationstechnologie

Tonmineral bewässert Erdmantel von innen

20.11.2017 | Geowissenschaften

Hemmung von microRNA-29 schützt vor Herzfibrosen

20.11.2017 | Biowissenschaften Chemie