Schaltbare Selbstorganisation
Der Selbstassemblierungsprozess im Nano-Bereich lässt sich aufgrund unterschiedlicher Parameter gezielt beinflussen.
In der Nano-Welt kann eine ungeordnete Menge von Komponenten das spontane Entstehen einer geordneten Struktur auslösen – eine sogenannte Selbstassemblierung. Die PhysikerInnen Christos Likos (Universität Wien), Emanuela Bianchi und Gerhard Kahl (beide TU Wien) erforschen, wie selbst konstruierende Substanzen im Nano-Bereich zu steuern sind. Aktuell gelang es ihnen, den Selbstassemblierungsprozess aufgrund unterschiedlich geladener Teilchen gezielt „an- und abzuschalten".
Abb.: Inverse patchy colloids (IPCs) mit zwei positiv geladenen Polregionen (gelb) und einer negativ geladenen Mittelregion (grau) werden in der Nähe einer gleichförmig geladenen Trägersubstanz (gelb) eingeschlossen. (Bild: E. Bianchi)
Materialien im Nano- bzw. Mikromaßstab stehen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in der Elektronik und Photovoltaik sowie in der biomimetischen Materialsynthese im Fokus der Forschung. „Für die Entwicklung dieser Materialien werden oftmals mesoskopische (zwischen mikroskopisch und makroskopisch) kristalline Zielstrukturen benötigt. Deshalb sind die Naturwissenschaften gefordert, verlässliche, effiziente und günstige Methoden zu entwickeln, um Zielstrukturen mit besonderen Symmetrien und physikalischen Eigenschaften herstellen zu können", erläutert Christos Likos, Professor für Computergestützte Physik an der Universität Wien.
Diese Materialien basieren heute zumeist auf der Selbstassemblierung (ohne äußere Einwirkungen) von sorgfältig gewählten, synthetischen Grundstoffen. Das makroskopische Analogon würde z. B. dem Bau eines Turms oder einer Brücke entsprechen, bei dem man lediglich die geeigneten Ziegelsteine auszuwählen hat, die sich von selbst zur Zielstruktur zusammenfügen.
Die Realisierung von zweidimensionalen geordneten Phasen ist im Bereich der funktionellen Materialien auf der Nano- und Mikroskala von größter Bedeutung. Niedrig-dimensionierte Systeme mit gut definierten Eigenschaften finden z. B. bei antireflexiven Beschichtungen, Biosensoren, bei der Datenspeicherung sowie in optischen und photovoltaischen Vorrichtungen oder Katalysatoren Anwendung. Die Qualität dieser Materialien basiert auf einem empfindlichen Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften der Basisoberfläche und jenen der funktionellen Beschichtung.
Abb.: Links: neutrale IPCs assemblieren sich nicht, wenn sie sich in der Nähe einer geladenen Oberfläche befinden, die die „patches" anzieht. Mitte: Die „patches" bilden eine dichte Struktur, wenn die Trägeroberfläche neutral ist. Rechts: Die „patches" bilden eine offene Struktur, wenn die Mittelregion vom Trägermaterial angezogen wird. (Bild: ACS)
Die WissenschafterInnen um Christos Likos konzentrierten sich auf komplexe Nano-Einheiten, deren Oberflächenstruktur unterschiedlich geladene Regionen aufweist. Die untersuchten Einheiten sind negativ geladen – nur die Polarregionen an beiden Enden des Teilchens weisen positive Ladungen auf. „Wir haben die Selbstassemblierung der heterogen-geladenen Teilchen untersucht, die sich in der Nähe von homogen-geladenen Trägermaterialien befinden", berichtet Emanuela Bianchi, Elise-Richter-Stipendiatin an der TU Wien und Erstautorin der Studie. „Computersimulationen haben gezeigt, wie komplexe Strukturen im Nanobereich spontan entstehen und wie wir die zweidimensionale Anordnung der Teilchen steuern können", ergänzt Physiker Likos.
Abhängig von verschiedenen Parametern, etwa die Ladung der Teilchen oder die Größe der geladene Oberflächenumgebung, können sich flächige Schichten unterschiedlicher Dichte bilden, die möglicherweise auch auf Stimuli von außen unterschiedlich reagieren. „Wir konnten in unseren Untersuchungen feststellen, dass mit der Wahl der Bausteine die Herstellung einer Vielzahl von selbstassemblierenden Strukturen verbunden ist. Dadurch ist es uns gelungen, das spezifische Verhalten zu beschreiben, das durch die Anpassung der relevanten Parameter im jeweiligen System wirkt", freut sich der Physiker über die Ergebnisse. Von allerhöchstem Interesse für die Wissenschaft ist, dass in der Untersuchung aufgezeigt werden konnte, wie der Prozess umgekehrt abläuft und quasi „an- und abgeschaltet" werden kann.
U. Wien / CT
