Kanälchen mit Bläschen

Zweiphasiger Chip-Reaktor zur Herstellung sehr einheitlicher nanoskopischer Halbleiterkristalle

Leuchtende Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien könnten zukünftig helfen, etwa Tumore zu identifizieren, großflächige Flachbildschirme zum Leuchten zu bringen oder die optische Datenverarbeitung voran zu bringen. Quantenpunkte sind nanoskopische Kristalle – so klein, dass ihre chemischen Eigenschaften denen von einzelnen Molekülen ähneln. Forscher vom MIT haben nun eine Mikrofluid-Technik entwickelt, die Mini-Kriställchen besonders einheitlicher Größe – und damit ausgezeichneter optischer Qualität – liefert.

Quantenpunkte aus Cadmiumselenid werden üblicherweise durch Injektion von Vorläuferverbindungen in ein heißes Lösungsmittel erhalten. Viele Faktoren wie lokale Temperaturen im Reaktionsgefäß, Konzentrationsgradienten sowie die Geschwindigkeit der Vermischung und des anschließenden Abkühlvorgangs beeinflussen das Ergebnis ganz erheblich, sind aber nur schwer zu steuern. Abhilfe verspricht die Mikrofluid-Technik – eine Art Miniaturreaktionssystem aus langen, sehr schmalen Kanälchen auf einem Träger im Chipformat. Durch die extrem kleinen Dimensionen können Masse- und Wärmetransport sehr exakt gesteuert werden. Konventionelle Mikrofluid-Reaktoren haben jedoch Nachteile. So lassen sich die Reaktanten nur langsam vermischen. Beim Fließen durch den engen Kanal sind zudem nicht alle Teilchen gleich schnell, in der Mitte geht es schneller voran als an den bremsenden Kanalwänden. Dadurch verweilen die entstehenden Nanokriställchen unterschiedlich lang im Reaktor. Beide Phänomene führen zu Quantenpunkten mit breiter Streuung ihrer Durchmesser.

Das muss nicht sein, dachte sich das Wissenschaftler-Team um Moungi G. Bawendi und Klavs F. Jensen. Die Lösung: Ein zweiphasiges Mikrofluidsystem, bei dem der Flüssigkeitsstrom im Kanälchen durch Gasbläschen in einzelne, sehr gleichmäßige Segmente unterteilt wird. Innerhalb dieser Segmente kommt es zu einer Rückvermischung und damit zu einem ständigen Materialaustausch zwischen Wand und Kanalmitte – alle Partikel verbringen annähernd die selbe Zeit im Reaktor. Um zudem die Vermischung der Reaktanden zu beschleunigen, wurde das Kanälchen in der Misch-Zone in enge Mäandern gelegt. In der anschließenden Reaktions-Zone herrschen die benötigten hohen Temperaturen von 260 °C. Gegen die dritte Zone, in der die Reaktion unterhalb 70 °C abgestoppt wird, ist sie thermisch isoliert. Mit ihrem Mikrofluid-Reaktor erzielen die Forscher Quantenpunkte sehr einheitlicher Größe bei deutlich höherer Ausbeute im Vergleich zu herkömmlichen Mikrofluid-Techniken. Zudem lassen sich kürzere Reaktionszeiten ohne Ausbeute-Einbußen realisieren – ein wichtiges Kriterium für kommerzielle Prozesse.