Serienfertigung von Nanoteilchen

Gemeinsam mit Experimentatoren von der Princeton University (USA) haben Mainzer Physiker um Arash Nikoubashman eine neuartige Technik zur Massen­fabrikation von Nanoteilchen entwickelt und theoretisch analysiert. Damit wird es möglich, schnell und kosten­günstig polymer­basierte Kolloide herzustellen. Solche maß­geschneiderten Kolloide werden für zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen benötigt. Bisher war es jedoch nur mit großem Aufwand, hohen Kosten und in kleiner Zahl möglich, die für moderne Anwendungen sehr gefragten Nanoteilchen zu produzieren.

Experimente in Princeton zeigten, wie beim schnellen Mischen einer Polymer­lösung mit Wasser weiche Nanopartikel entstehen, die ohne das Hinzufügen zusätzlicher Stoffe stabil bleiben – eine verblüffend einfache Lösung für das Problem, Nano­teilchen zu erzeugen. Als Polymer­lösung nutzten die Forscher zunächst in Tetra­hydro­furan gelöstes Polystyrol (Styropor) sowie Poly­isopren (Natur­kautschuk). Um die zugrunde liegende Physik zu verstehen und systematisch zu erforschen, wie sich diese Aggregation über verschiedene Parameter beeinflussen lässt, haben Physiker um Arash Nikoubashman in Mainz zahlreiche Simulationen durchgeführt. Das Wasser lässt die Polymer­ketten kollabieren und zu Nano­partikeln aggregieren. Dass sich die Teilchen spontan selbst anordnen, macht es möglich zu beeinflussen, wie sich die einzelnen Partikel zu komplexeren Strukturen zusammenfügen. Über die Geschwindigkeit des Mischens und die Konzentration der Polymer­lösung lässt sich somit gut steuern, wie groß die entstehenden Partikel werden.

Nanoteilchen stecken etwa in Katalysatoren, Kosmetik, wasser­abweisenden Strukturen und opto­elektronischen Elementen, zudem spielen sie in der medizinischen Forschung eine große Rolle. Die Eigenschaften dieser Teilchen sind abhängig vom Material, aus denen sie gemacht sind, aber auch ganz entscheidend von ihrer Größe und Ober­flächen­beschaffenheit. Bei der bisherigen Produktion von Nano­teilchen musste man oft zusätzliche Stabilisatoren einbringen, damit die entstandenen Nano­teilchen nicht direkt wieder zerfallen oder verklumpen. Solche Stabilisatoren lagern sich um das Nano­teilchen herum an und beeinflussen damit die Ober­flächen­beschaffen­heit des Teilchens, die wiederum manchmal genau von entscheidender Bedeutung für die jeweilige Anwendung ist.

Dies ist zum Beispiel der Fall bei so genannten Janus-Teilchen, die aus zwei Hälften mit gegensätzlichen Eigenschaften bestehen. Jetzt ist es den Wissenschaftlern aus Mainz und Princeton mit ihrer Methode gelungen, ohne solche Stabilisatoren auszukommen und dennoch stabile Nanoteilchen herzustellen, bei denen die Ober­flächen­struktur also erhalten bleiben kann. Das gelingt, weil das beigemischte Wasser eine negative Ladung der Nanoteilchen bewirkt, sodass diese sich gegenseitig abstoßen und auf diese Weise in sich stabil bleiben.

Bislang experimentierten die Physiker mit verhältnis­mäßig einfachen Polymeren. Da sich diese allerdings ganz ähnlich verhalten, deutet sich an, dass dies für eine Vielzahl anderer Materialien und Oberflächen gleichermaßen gelten könnte. Dies würde es erlauben, unter­schiedlichste kolloidale Teilchen herzustellen – und das im Unterschied zu bisherigen Methoden massenhaft, nicht nur vereinzelt. Die jetzt neu entwickelte Methode könnte damit zahlreiche neue Möglich­keiten für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen eröffnen, etwa für opto­elektronische Geräte, hoch­spezifische Katalysatoren oder bio­medizinische Anwendungen.

JGU / DE