Verblüffend einfach

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 dem 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 manchmal von entscheidender Bedeutung für die Anwendung ist. Dies ist zum Beispiel der Fall bei so genannten Janus-Teilchen, die aus zwei Hälften mit gegensätzlichen Eigenschaften bestehen.

Gemeinsam mit Experimentatoren von der Princeton University (USA) ist es Mainzer Physikern um Dr. Arash Nikoubashman dank einer neuartigen Technik gelungen, ohne Stabilisatoren auszukommen und dennoch stabile Nanoteilchen herzustellen, deren Oberflächenstruktur erhalten bleibt. Diese Technik haben die Forscher nun zur Massenfabrikation von Nanoteilchen entwickelt und theoretisch analysiert. Sie ermöglicht, schnell und kostengünstig polymerbasierte Kolloide – Nanoteilchen in einer Lösung – herzustellen.

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.

Als Polymerlösung wurde zunächst in Tetrahydrofuran (THF) gelöstes Polystyrol sowie Polyisopren, also 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 zahlreiche Simulationen durchgeführt. Das Wasser lässt die Polymerketten kollabieren und zu Nanopartikeln aggregieren. Weil sich die Teilchen spontan selbst anordnen, lässt sich beeinflussen, wie sich die einzelnen Partikel zu komplexeren Strukturen zusammenfügen. Über die Geschwindigkeit des Mischens und die Konzentration der Polymerlösung wird gesteuert, wie groß die entstehenden Partikel werden.

Die neu entwickelte Methode könnte zahlreiche Möglichkeiten für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen eröffnen, etwa für optoelektronische Geräte, hochspezifische Katalysatoren oder biomedizinische Anwendungen.

Weitere Informationen: Publikation in ACSNano