Nanowürmer nach Maß

Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Friedrich-Alexander- Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, Nanomaterialien kontrolliert in einem Bottom-Up-Ansatz herzustellen. Dabei nutzen sie aus, dass Kristalle während der Kristallisation oft in eine bestimmte Richtung wachsen. Diese so gebildeten Nanostrukturen, die wie „wurmartige und dekorierte Stäbchen“ aussehen, könnten in verschiedenen technologischen Anwendungen eingesetzt werden.

„Unsere Strukturen könnte man als wurmartige Stäbchen mit Dekoration bezeichnen“, veranschaulicht Felix Schacher das Ergebnis. „In diese Stäbchen eingebettet sind kugelförmige Nanopartikel; in unserem Fall war das Silica. Es könnten aber statt Silica auch leitfähige Nanopartikel sein oder Halbleiter – oder aber auch Mischungen, die sich mit unserer Methode in den Nanokristallen gezielt verteilen lassen“, ergänzt er. Entsprechend weit gefächert sind die denkbaren Anwendungen in Wissenschaft und Technik; diese reichen von Informations­verarbeitung bis hin zu Katalyse­prozessen.

„In dieser Arbeit ging es uns aber in erster Linie darum, die Herstellungsmethode als solche zu verstehen“, erklärt Schacher. Um Nanostrukturen zu erzeugen, so erklärt er, gibt es zwei verschiedene Ansätze: Größere Partikel werden bis auf Nanometergröße zermahlen – oder die Strukturen werden aus kleineren Bausteinen aufgebaut. „Diesen Prozess des Aufbauens wollten wir verstehen und kontrollieren“, beschreibt Schacher das Vorgehen. Dazu nutzte das Team einzelne Siliuium­dioxid-Partikel, Silica, und brachte dort ketten­förmige Polymer-Moleküle als eine Art Hülle an.

„Man kann es sich wie Härchen auf einer Kugel vorstellen“, erklärt der Wissenschaftler. „Diese Härchen bestehen aus einem Material mit dem Namen ‚Poly-(Isopropyl-Oxazolin)’. Und dieser Stoff kristallisiert, wenn er erwärmt wird. Das ist der Clou an unserer Methode: Kristalle wachsen fast nie in alle Richtungen gleichzeitig, sondern bevorzugen dabei eine Richtung. Das nennt man Anisotropie. Und so konnten wir unsere Nanostrukturen gezielt wachsen lassen“, so Schacher. Dabei stieß das Team auf ein spannendes Phänomen. „Damit das Polymer kristallisiert, braucht es winzige Mengen davon, die nicht an eine Partikel­oberfläche gebunden sind, sondern sich frei in der Reaktions­lösung befinden, sozusagen als Kleber. Wir fanden heraus, dass die benötigten Mengen sogar so gering sind, dass sie sich kaum nachweisen lassen. Aber es braucht sie“, ergänzt er.

„Ohne die hervor­ragende Zusammenarbeit mit Michael Engel von der Universität Erlangen wäre diese Arbeit nicht zustande gekommen“, betont der Jenaer Wissenschaftler. „Mit Hilfe von Computer­simulationen, die das Verhalten über mehrere Skalen abbildeten, konnten wir die komplexen molekularen Vorgänge, die dem Bildungsprozess der Nano­strukturen zugrunde liegen, detailliert auflösen. Das war eine spannende Heraus­forderung“, fügt Engel hinzu.

U. Jena / JOL