Klein, aber mit Tiefenwirkung
Nanopartikel verändern die interne Struktur von Flüssigkeiten über mehrere Molekülschichten.
Fast unbemerkt sind sie Teil unseres täglichen Lebens geworden: Nanopartikel führen in Kosmetika, Nahrungsmitteln und Medikamenten, aber auch in Katalysatoren zu besonderen Eigenschaften der Produkte. In den meisten Anwendungsgebieten werden die Nanopartikel in Flüssigkeiten aufgelöst, denn viele ihrer Eigenschaften entstehen an den Grenzflächen. Bisher konnten Wissenschaftler jedoch nur theoretisch modellieren, ob und wie sich die interne Struktur einer Flüssigkeit an der Oberfläche eines Nanopartikels verändert. Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg ist nun erstmals der experimentelle Nachweis gelungen.
Abb.: Mirijam Zobel und Reinhard Neder während des Experiments an der European Synchroton Research Facility in Grenoble (Bild: FAU)
Denn Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole besitzen eine interne Struktur: Sauerstoffelemente wechselwirken mit Wasserstoffatomen, wodurch sich Strukturen wie beispielsweise Ringmotive oder Ketten innerhalb der Flüssigkeit bilden. Diese Struktur bricht in der Nähe von glatten Oberflächen – wie beispielsweise Gefäßwänden – auf. Für Nanopartikel sagten Wissenschaftler eine ähnliche Verhaltensweise voraus, es fehlte bisher jedoch der experimentelle Nachweis. Den haben nun die Wissenschaftler Reinhard Neder und Mirijam Zobel von der Professur für Allgemeine Mineralogie/Kristallographie an der Universität Erlangen-Nürnberg geliefert.
Für den Nachweis benutzen die Wissenschaftler die Paarverteilungsfunktion (Pair Distribution Function, PDF). Da weltweit nur wenige Geräte die präzisen PDF-Messungen erlauben, reisten die Forscher zur European Synchroton Radiation Facility ins französische Grenoble. Dort bestrahlten sie die Proben – eine Vielzahl selbst hergestellter und käuflich erworbener Nanopartikel wie beispielsweise Zinkoxid oder Silber aufgelöst in verschiedenen Lösungsmitteln – mit hochenergetischen Röntgenstrahlen.
Die Strahlen erzeugten ein Röntgenbild, sobald sie auf die Elektronen des Nanopartikels und des Lösungsmittels trafen. Mithilfe dieser Aufnahme berechneten die Wissenschaftler, wie weit die einzelnen Atome voneinander entfernt sind – und wiesen so nach, dass sich die Moleküle an der Grenzfläche von Nanopartikel und Flüssigkeit neu ordnen. Diese Umordnung ist direkt an der Grenzfläche am stärksten und erstreckt sich über etwa fünf Molekülschichten, bis weiter von der Grenzfläche entfernt wieder die Eigenschaften der reinen Flüssigkeiten angenommen werden. „Wir erwarten, dass unsere allgemeingültigen Ergebnisse die Modellierung von chemischen Reaktionen an Oberflächen maßgeblich beeinflussen“, erklärt Mirijam Zobel.
FAU / DE
