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 Fraunhofer IMWS entwickelt biobasierte Faser-Kunststoff-Verbunde für Leichtbau-Anwendungen
23.04.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

nachricht Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
17.04.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

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

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

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