Nanoteilchen in großen Paketen

Mithilfe von Selbstorganisationsprozessen und Sinterverfahren wie bei Keramiken lassen sich große, greifbare Werkstoffe aus Nanoteilchen herstellen.

Evanston (USA) – Nanopartikel können die Eigenschaften von vielen Werkstoffen verbessern. Hohe Leitfähigkeiten, herausragende katalytische Qualitäten oder eine große Widerstandskraft gegen mechanische oder chemische Belastungen sind nur einige der verfolgten Ziele. Die ersten Kompositwerkstoffe mit Nanopartikel sind bereits auf dem Markt, doch die winzigen Funktionsträger werden zumeist nur eingerührt oder einfach mit Trägersubstanzen vermischt. Mithilfe von Selbstorganisationsprozessen und Sinterverfahren wie bei Keramiken fanden amerikanische Materialforscher nun einen neuen Weg, große, greifbare Werkstoffe aus Nanoteilchen herzustellen.

„Diese Materialien sind plastisch verformbar und lassen sich mit Gussverfahren in gewünschte Strukturen bringen“, schreiben Rafal Klajn und seine Kollegen von der Northwestern University in Evanston. Um ihr Verfahren zu testen, gingen die Forscher von Nanokügelchen aus Gold, Silber, Platin und Palladium aus.

Zu Beginn maßen diese nur etwa fünf Nanometer im Durchmesser. Fein verteilt in dem Lösungsmittel Toluol fügten sie darauf oberflächenaktive Substanzen hinzu (Dodecylamin, Dithiolazobenzol). In Abhängigkeit von der Konzentration dieser vernetzenden Chemikalien klumpten die Nanokügelchen zu so genannten Supersphären mit Durchmessern zwischen 50 und 500 Nanometer zusammen. Ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm und einer Leistung von 0,7 mW/cm ² unterstützte diese selbstorganisierende Vernetzung.

„Darauf konnten wir diese deformierbaren Aggregate zu Millimeter großen Strukturen wie einzelne Klumpen aus Ton zusammenkleben“, beschreiben die Forscher den nächsten Fertigungsschritt. Mit diesen Massen verklumpter Nanopartikel bestrichen sie beispielsweise eine Kunststoff-Oberfläche (Polypropylen). Oder sie füllten das Material in eine Gussform aus Polydimethylsiloxan. Zum Aushärten wurden die Proben auf Temperaturen zwischen 50 und 300 Grad Celsius aufgeheizt. Teile der oberflächenaktiven Substanzen verflüchtigten sich dabei und der gesamte Block schrumpfte um bis zu 20 Prozent. Dennoch blieben die Nanometer feinen Strukturen der Metallpartikel weitestgehend erhalten.

Je nach Temperatur und verwendeten Substanzen entstand ein nanoporöser, metallischer Werkstoff mit guter Leitfähigkeit. „Wir glauben, dass wegen der hohen Porösität diese Materialien sinnvoll für heterogene Katalysen eingesetzt werden können“, so die Wissenschaftler. Solche „Nanoschäume“, die sogar mehrere verschiedene Metalle enthalten können, könnten sogar mehrere verschiedene Reaktionen katalytisch unterstützen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  R. Klajn et al., Plastic and Moldable Metals by Self-Assembly of Sticky Nonoparticle Aggregates, Science 316, 261 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1139131
• Northwestern University in Evanston:
  http://www.northwestern.edu
• Department of Chemical and Biological Engineering:
  http://www.chem-biol-eng.northwestern.edu

Weitere Literatur:

• E. V. Shevchenko et al., Nature 439, 55 (2006).
• M. Kalsin et al., Science 312, 420 (2006).
• D. Kashchiev, Nucleation: Basic Theory with Applications (Butterworth-Heinemann, New York, 2000).