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 Mikroplastik in Meeren: Hochschule Niederrhein forscht an biologisch abbaubarer Sport-Kleidung
18.09.2017 | Hochschule Niederrhein - University of Applied Sciences

nachricht Flexibler Leichtbau für individualisierte Produkte durch 3D-Druck und Faserverbundtechnologie
13.09.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften