Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hariboschnecken im Reagenzglas

09.05.2006
Chemiker dirigieren ein Siliziumoxid gezielt in eine hierarchische Struktur - ein Mechanismus, den bislang nur die Natur beherrschte

Ob die Chemie stimmt, ist oft eine Sache des Zufalls. Chemiker vom Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben das in ihren Reaktionsgefäßen jetzt geändert. Sie haben Silica- oder Kieselsäure-Teilchen aus einer Lösung so gezielt auf einem Träger wachsen lassen, dass diese ein regelmäßiges Muster winziger Kegel bildeten. Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass jeder Silica-Kegel aus übereinandergeschichteten Spiralen besteht - so als würde man Hariboschnecken stapeln. Jede Spirale besteht aus Röhren, in denen sich das Silica um lange organische Moleküle gruppiert. Solche hierarchischen Strukturen, die im kleinen wie im großen definiert sind, kannten Wissenschaftler bislang nur aus der Natur: von Knochen, Holz oder Muscheln. Dass sie sich jetzt im Reagenzglas herstellen lassen, könnte helfen, optische und elektronische Bauteile zu verkleinern. (Advanced Materials, 18.April 2006)


Silica-Kegel wachsen pixelartig auf einem vorbehandelten Substrat. In jedem Kegel bildet das Silica eine spiralförmige Mesostruktur. Bild: Max-Planck-Institut für Kohlenforschung


In der hierarschichen Struktur bestimmt die Anordnung der Kristallisationskeime in der x-y-Ebene (quaternäre Struktur), wie die globale Singularität g orientiert ist (Ternäre Struktur). Diese wiederum legt die Richtung a fest, in der sich die Mizellfäden aufrollen (sekundäre Struktur). Auf dieser Ebene verhinderte die Methode der Max-Planck-Forscher, dass sich beispielsweise Fasern (rechts) bilden. Bild: Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

Knochen sind leicht und stabil, weil sie optimal gebaut sind - im kleinen wie im großen: Ihre kleinsten Elemente verbinden sich zu Fibrillen, die sich zu Lamellen falten. Diese wiederum ordnen sich zu Balken an, die schließlich ein Gerüst aufbauen, dessen Netz auch Statiker inspiriert. Materialwissenschaftler nennen solche Strukturen hierarchisch. Chemiker des Max-Planck-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr haben aus Silica-Teilchen jetzt erstmals eine bestimmte hierarchische Struktur geschaffen. Und das aus einer Reaktionslösung, in der Silica-Teilchen mit sehr unterschiedlichen Formen wachsen können. In ihrer Reaktionslösung vermischen sie die Siliziumverbindung und ein Amin, das einen langen Fettsäureschwanz hinter sich her zieht. Zunächst schließen sich die Moleküle des Amins zu Mizellen zusammen, die lange Fäden bilden. An diese lagert sich dann das Silica an. Tauchen die Wissenschaftler einen unbehandelte Träger, zum Beispiel eine leicht verunreinigte Glasplatte, in die Lösung, lagern sich die Teilchen nach dem Zufallsprinzip ab: mal als Kegel, mal als Doppelkegel, mal als verdrilltes Faserbündel.

Um das zu ändern, versehen die Mülheimer Wissenschaftler die Oberfläche mit Ködern für eine bestimmte Teilchenform: Mit einem winzigen Silikonstempel drucken sie Quadrate einer methylhaltigen und damit wasserabweisenden Substanz auf das Glas, das selber Wasser anzieht. Die Kanten der wasserabweisenden Quadrate messen drei Mikrometer, also drei Tausendstel Millimeter. Die wasserabweisenden Quadrate wirken wie Kristallisationskeime: Tunken die Chemiker die bedruckte Glasplatte in die Reaktionslösung, türmt sich nach knapp drei Tagen auf jedem Quadrat ein kleiner Kegel, der aus langen Fäden gewickelt ist. Warum sich die Silica-Teilchen bevorzugt auf den wasserabweisenden Quadrate sammeln, ist nocht nicht ganz klar."Möglicherweise sammeln sich dort erst die organischen Mizellen und dann lagert sich das Silica auf den Quadraten ab", sagt Frank Marlow, der die Forschung leitet.

Indem die Wissenschaftler die Silica-Partikeln auf die Oberfläche des bedruckten Glases locken, steuern sie, welche hierarchische Struktur diese letztendlich bilden: Den ersten Teilchen bleibt nicht viel anderes übrig, als sich in Form einer Hariboschnecke auf den Träger legen. Indem sich dann Spirale auf Spirale stapelt, wächst der Kegel. "In der Lösung können sich statt der Kegel auch Fasern oder andere, ganz wilde Teilchen bilden", sagt Marlow. Diese Teilchen sind ebenfalls in ganz ähnlicher Weise hierarchisch strukturiert.

Richtungsweisend für die wachsenden Kegel ist eine globale Singularität - der Mittelpunkt der Silica-Spiralen, um den sich die weiteren Silica-Teilchen gruppieren. "Oft spricht man davon, dass ein Defekt, etwa ein Loch in der Kristallstruktur, das Wachstum stört", sagt Marlow: "Ich bin überzeugt, dass das Loch in unserem Fall aber bestimmt, welche Struktur am Ende herauskommt. Daher habe ich den Begriff der globalen Singularität geprägt." Diese Selbstorganisation der Teilchen lenken die Wissenschaftler dann mit den gedruckten Quadraten zu der gewünschte Überstruktur.

"Auf diese Weise verbinden wir eine bottom-up- und eine top-down-Technik", sagt Marlow. Von einer bottom-up-Technik sprechen Materialwissenschaftler, wenn sich Teilchen selbst zu größeren Strukturen organisieren. "Diese Technik funktioniert im kleinen Maßstab sehr gut, sie wird aber ungenau, sobald die Strukturen eine bestimmte Größe erreichen", so Marlow. Beim top-down-Ansatz verteilen sich Stärken und Schwächen genau umgekehrt: Ihn wenden Chip-Hersteller an, wenn sie auf Silizium-Wafern mit Fotolack den Plan einer Struktur zeichnen, die sie anschließend aus dem Halbleiter ätzen. Weil die Auflösung dieser Methode begrenzt ist, lassen sich solche Strukturen nicht beliebig verkleinern. Indem die Wissenschaftler um Frank Marlow Punkte auf das Glas drucken, an denen sich die Silica-Teilchen selbst organisieren können, verknüpfen sie beide Techniken: Mit den gedruckten Quadraten im Mikrometer-Bereich steuern sie zum ersten Mal, was im Nanometer-Maßstab geschieht. So wird es möglich, auch sehr feine Strukturen zu schaffen. Die Forscher könnten also dazu beitragen, optische und elektronische Bauteile zu verkleinern.

[Her]

Originalveröffentlichung:

Ahmed S. G. Khalil, Denan Konjhodzic und Frank Marlow
Hierarchy Selection, Position Control, and Orientation by Patterned Surfaces
Advanced Materials, 18. April 2006

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Chemiker Reagenzglas Reaktionslösung Silica Silica-Teilchen Spirale Teilchen

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden
06.12.2016 | Universität Osnabrück

nachricht Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert
06.12.2016 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bund fördert Entwicklung sicherer Schnellladetechnik für Hochleistungsbatterien mit 2,5 Millionen

06.12.2016 | Förderungen Preise

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie