Maßgeschneiderte Kolloide für zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen lassen sich schnell und kostengünstig produzieren
21.03.2016
Gemeinsam mit Experimentatoren von der Princeton University (USA) haben Mainzer Physiker um Dr. Arash Nikoubashman eine neuartige Technik zur Massenfabrikation von Nanoteilchen entwickelt und theoretisch analysiert. Damit wird es möglich, schnell und kostengünstig polymerbasierte Kolloide – Nanoteilchen in einer Lösung – 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, dass 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 wurde zunächst in Tetrahydrofuran (THF) gelöstes Polystyrol (Styropor) sowie Polyisopren (Naturkautschuk) verwendet. Um die zugrunde liegende Physik zu verstehen und systematisch zu erforschen, wie sich diese Aggregation über verschiedene Parameter beeinflussen lässt, haben Physiker um Dr. Arash Nikoubashman in Mainz zahlreiche Simulationen durchgeführt. Das Wasser lässt die Polymerketten kollabieren und zu Nanopartikeln aggregieren. Die Tatsache, 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 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 mussten oft zusätzliche Stabilisatoren eingebracht werden, 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.