Ein explosives Gemisch
Nanopartikel und DNA als Energiequelle für Mikrosysteme.
Mit Hilfe eines Herstellungsverfahrens, bei dem sich Nanopartikel mit DNA-Strängen verbinden, haben Forscher des Labors für Analyse und Systemarchitektur (CNRS Toulouse) in Zusammenarbeit mit dem interuniversitären Forschungszentrum für Werkstofftechnik (Universität Toulouse 3/INP Toulouse/CNRS) einen stabilen Sprengkörper entwickelt, der die gleiche Energiedichte wie Nitroglyzerin aufweist. Die DNA-Stränge übernehmen die Rolle der „Mechaniker“, die die verschiedenen Arten der verwendeten Nanopartikeln zusammenfügen.
Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Nanokomposits mit zwei Mikrometern Durchmesser. (Bild: F. Séverac)
Aufgrund der freiwerdenden Energiemenge und der thermischen Ausgangstemperatur zählt dieser neue Sprengstoff derzeit zu den effizientesten. Er könnte auch im Weltraum als Energiequelle für eingebettete Mikrosysteme verwendet werden.
Nanopartikel aus Aluminium und Kupfer-Oxid sind die beiden grundlegenden Bestandteile dieses Verbundwerkstoffes. Die Idee einer Verbindung von Aluminium und Kupfer-Oxid ist nicht neu: Diese beiden Werkstoffe wurden bereits früher zum Schweißen von Schienen verwendet. Die Innovation besteht darin, sie durch DNA-Stränge zu verbinden. Zwei komplementäre DNA-Stränge bilden eine Doppelhelix und somit ein festes Gefüge.
Dies haben sich die Forscher zunutze gemacht. Sie brachten die Stränge getrennt auf nanoskopische Aluminium- und Kupferoxidkugeln und vermischten diese dann. So erhielten sie komplementäre Stränge der beiden Arten von Nanopartikeln, wodurch das ursprüngliche Aluminiumpulver und das Kupferoxid in ein kompaktes und solides Material transformiert wurden, das sich entzündet, sobald es sich auf eine Temperatur von 410°C erwärmt. Die Temperatur der spontanen Verbrennung ist eine der niedrigsten in der Literatur.
Abb.: Schema der verschiedenen Stufen der Herstellung des Al/CuO-Nanokomposits durch DNA-Assemblierung. Die Nanopulver aus Aluminium und Kupferoxid werden zuerst suspendiert und in einer wässrigen Lösung stabilisiert. Dann werden die einzelnen DNA-Stränge mit Kupferoxid oder Aluminium funktionalisiert und anschließend fügen sich die komplementären Stränge wieder zusammen. (Bild: F. Séverac)
Die hohe Energiedichte dieses Materials wäre ein idealer Brennstoff für Mikro-Satelliten. Ausgestattet mit nur wenigen hundert Gramm dieses Verbundstoffes hätten sie genug Energie, um ihre Flugbahn oder ihre Ausrichtung zu korrigieren.
Auch auf der Erde sind die Anwendungen dieser Verbindung sehr vielfältig: als Zünder in gasbetriebenen Verbrennungsmotoren oder in Flugzeug- und Raketendüsen, beim gezielten Schweißen, etc. Sobald seine Wärme in elektrische Energie umgewandelt wird, könnte dieses Verbundmaterial auch als Energiequelle in der Mikrosystemtechnik – z. B. als Verschmutzungsdetektoren in der Natur – Anwendung finden.
C. Collet, Franz. Botschaft / PH
