Nanostäbchen vom Fließband

Für den Einsatz winziger Nanostäbchen und Nanoröhrchen gibt es mittler­weile eine Viel­zahl interes­santer Möglich­keiten: Auf ihnen ruhen Hoff­nungen sowohl für neu­artige minia­turi­sierte elektro­nische Bau­teile als auch für die Sensorik oder gar für die Krebs­therapie. Bislang hat sich die Her­stellung möglichst einheit­licher Nano­stäbchen in ausrei­chender Anzahl jedoch als schwierig erwiesen. Wissen­schaftler des Georgia Institute of Techno­logy in den USA ist es nun gelungen, einen neuen Synthese­weg für Nano­stäbchen und -röhrchen zu ent­wickeln, der mehrere Vorzüge in sich vereint.

Eine grundlegende Schwierigkeit bei der Produktion von Nano­stäbchen liegt darin, dass nur wenige Materi­alien auf natür­liche Weise so gerad­linig wachsen. Üblicher­weise züchtet man Nano­stäbchen deshalb in winzigen Formen heran oder lässt sie an der Ober­fläche ent­sprechend struktu­rierter Vor­lagen wachsen, etwa an DNA. Die Forscher des Georgia Tech hin­gegen wählten einen anderen Weg: Sie nutzten ein cellulose­haltiges Träger­material in Form einer Flaschen­bürste, um darin Nano­strukturen mit exakt defi­nierten Eigen­schaften heran­zu­züchten.

Damit lässt sich ein Problem umgehen, das etwa bei der Her­stellung von Nano­stäbchen in winzigen Formen entsteht. Dort muss man die Form ent­fernen, um die Nano­stäbchen frei­zu­setzen. Außer­dem ist die Fein­heit der Stäbchen bislang noch durch die Breite der Formen be­schränkt. Die Verwen­dung von DNA als Substrat erlaubt zwar feinere Struk­turen – doch ist der Ein­satz von DNA als Träger­substanz wiederum dadurch begrenzt, dass es in vielen nicht­wässrigen Lösungen nur schlecht lös­lich ist und deshalb die Anzahl möglicher chemischer Reak­tionen einge­schränkt ist.

Beim nun vorgestellten Ansatz wählten die Forscher als Rück­grat der Nano­stäbchen Cellulose, die sie mit Hilfe dicht gesetzter Polymer-Ärmchen funktio­nali­sierten. Diese ließen die Forscher an der Cellulose wachsen, indem sie deren Hydroxil-Gruppen mit Brom modifi­zierten, das als Initi­ator für die Ent­stehung der Polymer-Ärmchen diente. Der Haupt­strang der Cellulose lieferte quasi das Rück­grat der Nano­stäbchen, während die abste­henden Härchen wie bei einer Flaschen­bürste nach außen ragten. Eigent­lich tendieren die Polymer-Fasern dazu, sich aufzu­rollen. Da sie aber dicht gedrängt anein­ander stehen, werden sie dazu ge­zwungen, sich gerade auszu­richten und eine starre Struktur zu bilden.

Mit Hilfe geschickt eingestellter Reaktionsparameter erreichten die Forscher, dass der innere Strang solvo­phil blieb, während die äußeren Härchen solvo­phob blieben. Dadurch geschahen die gewünschten chemischen Reak­tionen nur im inneren Bereich der Flaschen­bürste, wo die Nano­stäbchen heran­wuchsen. So konnten die Wissen­schaftler den Auf­bau und die Eigen­schaften der Nano­stäbchen sehr präzise kontrol­lieren.

Mit dem Verfahren lassen sich sowohl wasser- als auch öl­lös­liche Nano­stäbchen reali­sieren, womit andere Synthese­verfahren häufig Schwierig­keiten haben. Dabei erreichten die Nano­stäbchen Längen von einigen hundert Nano­metern bis hin zu wenigen Mikro­metern und Durch­messern von einigen Dutzend Nano­metern.

Sind die Nanostäbchen oder -röhrchen erst einmal fertig heran­ge­wachsen, lassen sie sich in einer Zentri­fuge von uner­wünschtem Synthese­material befreien. Ein großer Vorteil des neuen Verfahrens: Es erlaubt die Her­stellung von Nano­strukturen mit unter­schied­lichen Ober­flächen­eigen­schaften. So sind sowohl metal­lische Ober­flächen als auch Halb­leiter, magne­tische oder leuchtende Struk­turen denk­bar. Außerdem lässt sich die Hüll­schicht durch geeig­nete Synthese­strategien nach Wunsch ein­stellen. Dadurch kann man stabile Nano­stäbchen-Lösungen in unter­schied­lichen Lösungs­mitteln reali­sieren.

So gelang es den Wissenschaftlern, die Polymer-Ärmchen im inneren und äußeren Bereich unter­schied­lich zu funktio­nali­sieren, so dass sie auch Nano­röhrchen – also hohle Nano­stäbchen – oder Nano­stäbchen mit unter­schied­lichem Kern und Hülle erzeugen konnten. Hier besteht bei anderen Synthese­ver­fahren oft das Problem, dass die Kristall­gitter zweier unter­schied­licher Materi­alien nicht gut zuein­ander passen. Bei der Synthese im Polymer-Käfig wachsen Kern und Hülle unab­hängig vonein­ander, so dass sich auch Kombi­nationen reali­sieren lassen, deren Kristall­gitter eigent­lich schlecht zuein­ander passt.

Das ist nicht zuletzt für medizinische Zwecke interes­sant, weil man damit die Lösungs- oder optischen Eigen­schaften solcher Nano­stäbchen genau ein­stellen kann. Eine Idee ist zum Beispiel, Nano­stäbchen mit Gold­kern und einer Hülle aus Eisen­oxid in der Krebs­therapie einzu­setzen. Das Eisen­oxid er­mög­licht dann eine genaue Orts­be­stimmung in der Magnet­resonanz­tomo­graphie, während man den goldenen Kern der Nano­stäbchen photo­thermisch lokal er­hitzen kann, um die Krebs­zellen abzu­töten. Aber auch in der Solar­energie könnte man Nano­stäbchen ein­setzen, um über die plasmo­nische An­regung durch Photonen aus dem nahen Infra­rot die Effi­zienz von Solar­zellen zu steigern.

Dirk Eidemüller

RK