Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Haarige Kugeln kleben besser

11.09.2006
Mit einer neuen Messtechnik beobachten Max-Planck-Wissenschaftler, wie die Oberfläche von Kolloiden mitwirkt, wenn sich solche Partikel zu einem zähflüssigen Gel zusammenlagern

Zellkern, Mitochondrien und Ribosomen schwimmen im Zytoplasma und sinken nicht zum Boden der Zelle - sie verhalten sich wie suspendierte Kolloide. Sylvie Roke, eine Forscherin des Max-Planck-Instituts für Metallforschung in Stuttgart, hat nun gemeinsam mit niederländischen Wissenschaftlern die Eigenschaften von Kolloiden mit einer neuen optischen Messtechnik untersucht. Dabei haben sie herausgefunden, dass die Oberflächenstruktur der Partikel eine wichtige Rolle spielt, wenn sich eine Suspension aus Kolloiden in ein Gel verwandelt. Die Kolloide, welche die Wissenschaftler untersuchten, tragen auf ihrer Oberfläche lange Alkylketten und gleichen damit haarigen Kugeln: Lagern sich die Alkylketten und die Moleküle des Lösungsmittels abwechselnd aneinander, ballen sich die Partikel zu einem Gel zusammen. (PNAS, 5. September 2006)


Kolloide im Transmissionselektronenmikroskop: Das Bild zeigt Partikel mit einem Durchmesser von etwa 240 nm - das Lösungsmittel wurde verdampft, um die Aufnahme machen zu können. Bild: Sylvie Roke / Max-Planck-Institut für Metallforschung


Ob Gel oder Suspension - die Haare machen den Unterschied: Das linke Bild zeigt ein Gel bei Raumtemperatur (20 Grad Celsius). Die Partikel liegen dicht beieinander, die Alkylketten ihrer Oberflächen und die Moleküle des Lösungsmittels liegen geordnet aneinander. Bei 55 Grad Celsius liegen die Kolloide als Suspension vor, ihre Alkylketten stehen wirr ab. Bild: Sylvie Roke / Max-Planck-Institut für Metallforschung

Verglichen mit Atomen sind Kolloide riesig. Ihr durchschnittlicher Durchmesser ist mit 200 nm mehr als 1000-mal größer - eben das macht sie für die Forschung so interessant. Denn Kolloide verhalten sich oft wie Atome. Doch im Gegensatz zu Atomen, den kleinsten Bausteinen der Natur, lassen sich Kolloide auch mikroskopisch beobachten - und die daraus gewonnenen Ergebnisse anschließend auf Atome übertragen. Indem sie Kolloide untersuchen, lernen Wissenschaftler aber auch viel über das Verhalten von Biomolekülen im Inneren von Zellen. Denn in Organismen verlaufen viele chemische Reaktionen in kolloidalen Systemen. In der Medizin forschen die Wissenschaftler deshalb nach Möglichkeiten, Kolloide als Trägermaterial mit anderen Molekülen - etwa Antikrebsmittel - zu bestücken.

In kolloidalen Systemen schweben Partikel in einer Flüssigkeit, ohne das sie sich darin tatsächlich lösen. Die Eigenschaften dieser Systeme sind allerdings bis heute noch nicht vollständig bekannt. Unklar sind etwa die Mechanismen, bei denen Kolloide ihren Zustand ändern: von geordneten kristallinen Strukturen, über dickflüssige Gele bis hin zu gasähnlichen Suspensionen - einem Stoffgemisch, das aufgeschlämmtem Sand im Meer ähnelt.

Die Stuttgarter Max-Planck-Forscherin Sylvie Roke hat nun gemeinsam mit Wissenschaftlern des FOM Institute for Atomic and Molecular Physics in Amsterdam Kolloide untersucht, deren Oberflächen lange Alkylketten wie einen Pelz tragen. Sie beobachteten diese Kolloide mit einer neu entwickelten optischen Messtechnik, während eine Suspension der Partikel einen Phasenübergang durchmachte. Sie kühlten die Suspension ab, in der die Teilchen voneinander getrennt umher schwammen. Daraufhin lagerten sich diese zu einem zähflüssigen Gel zusammen. Das lag zum Teil daran, dass sich die Partikel in der Suspension langsamer bewegten - wie Wasser, das allmählich zu Eis erstarrt. Gleichzeitig richteten sich die Alkylketten beim Abkühlen gerade auf - als stünden den Kolloiden die Haare zu Berge. Zwischen ihnen ordneten sich zudem Moleküle des Lösungsmittels an. Damit erhöhte sich die Dichte des Alkylpelzes. In der Folge verstärkte sich die van-der-Waals Kraft zwischen den Teilchen - einer im Vergleich zur Atombindung recht schwachen anziehenden Kraft zwischen Molekülen, aber auch größeren Partikeln. Die Kraft ist aber immerhin so stark, dass die Partikel aneinander kleben bleiben, wenn sie zufällig zusammenstoßen. Dieser Prozess zog sich über mehrere Tage - und damit länger als bislang vermutet.

Forscher hatten bereits seit längerem einen Zusammenhang zwischen der Struktur der Oberfläche, in diesem Fall dem Verhalten der Alkylketten, und solchen Phasenübergängen in kolloidalen Systemen vermutet. Doch es gab bislang keine direkte Methode, diesen Zusammenhang zu untersuchen. Die Max-Planck-Wissenschaftler entwickelten deshalb die neue Technologie "Vibrational sum frequency scattering" (Schwingungs-summenfrequenzerzeugung), welche die Molekülschwingungen auf den Oberflächen der Kolloide misst. "Mit unserer Beobachtungsmethode können wir nun Moleküle an den verborgenen Partikeloberflächen beobachten, indem wir ihre Struktur und Orientierung bestimmen und gleichzeitig Partikelgröße- und form untersuchen", sagt Dr. Sylvie Roke, die diese Technik während ihrer Promotion entwickelt hat.

Originalveröffentlichung:

Sylvie Roke, Otto Berg, Johan Buitenhuis, Alfons van Blaaderen und Mischa Bonn
Surface molecular view of colloidal gelation
PNAS, 5. September 2006

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

Weitere Berichte zu: Alkylketten Atom Gel Kolloide Kolloiden Molekül Partikel Suspension

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Quantenanomalien: Das Universum in einem Kristall
21.07.2017 | Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

nachricht Projekt »ADIR«: Laser bergen wertvolle Werkstoffe
21.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten