Mikroskopische Materialien aus Ton, die von Forschern der University of Missouri entwickelt wurden, könnten der Schlüssel für die Zukunft der Chemie synthetischer Materialien sein. Indem sie es Wissenschaftlern ermöglichen, chemische Schichten herzustellen, die auf die Erfüllung spezifischer Aufgaben basierend auf den Zielen des einzelnen Forschers zugeschnitten sind, können diese Materialien, sogenannte Nanoclays, in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter im medizinischen Bereich oder in der Umweltwissenschaft.
Ein Artikel, der diese Forschung beschreibt, ist in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Angewandte technische Materialien.
Ein wesentlicher Bestandteil des Materials sei seine elektrisch geladene Oberfläche, sagte Gary Baker, Co-Hauptforscher des Projekts und außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie.
„Stellen Sie sich einen Koosh-Ball vor, bei dem die Tausenden von Gummisträngen, die strahlenförmig vom Ballkern ausgehen, am Ende jeweils eine elektrisch geladene Perle tragen“, sagte Baker.
„Es ist vergleichbar mit einem Magneten – positiv geladene Dinge bleiben an negativ geladenen Dingen haften. Positiv geladene Nanotoner könnten beispielsweise eine Gruppe schädlicher fluorierter Chemikalien namens PFAS oder „Forever Chemicals“ anziehen, die negativ geladen sind. Oder indem der Nanoton negativ geladen wird, kann er an Dingen wie Schwermetallionen wie Cadmium haften, die positiv geladen sind, und dabei helfen, sie aus einem kontaminierten Gewässer zu entfernen.“
Zusätzlich zur elektrischen Ladung kann jeder Nanoton mit verschiedenen chemischen Komponenten individuell angepasst werden, beispielsweise durch das Mischen und Anpassen verschiedener Teile. Dadurch können sie bei der Entwicklung diagnostischer Sensoren für die biomedizinische Bildgebung oder die Erkennung von Sprengstoffen und Kampfmitteln eingesetzt werden.
„Im Wesentlichen handelt es sich bei diesen Nanotonen um chemische Bausteine mit spezifischen Funktionen, die zu extrem dünnen, zweidimensionalen mikroskopischen Schichten zusammengesetzt sind – dünner als ein Strang menschlicher DNA und 100.000 Mal dünner als ein Blatt Papier“, sagte Baker.
„Wir können die Funktion und Form der chemischen Komponenten auf der Oberfläche des Nanotons anpassen, um alles herzustellen, was wir bauen möchten. Wir haben gerade die Spitze des Eisbergs dafür freigelegt, was diese Materialien leisten können.“
Zweidimensionale Materialien sind sehr gefragt, da sie die Außenseite eines sperrigen Objekts oberflächlich mit einer dünnen, konformen Schicht überziehen und völlig andere Oberflächeneigenschaften als das darunter liegende Objekt verleihen können.
„Durch das Mischen und Anpassen einiger Dinge wie verschiedener Ionen oder Goldnanopartikel können wir schnell eine Chemie entwerfen, die es noch nie zuvor gab, und je mehr wir sie anpassen, desto mehr eröffnet sie ein breiteres Anwendungsspektrum“, sagte Baker.
Co-Autoren der Studie sind Nathaniel Larm von der United States Naval Academy, Durgesh Wagle von der Florida Gulf Coast University sowie Piyuni Ishtaweera und Angira Roy von der MU.
Mehr Informationen:
Nathaniel E. Larm et al., Oberflächenprogrammierbarer polykationischer Nanoton unterstützt die Erzielung von 100.000 Umsatzfrequenzen pro Stunde für eine nanokatalysierte kanonische Nitroarenreduktion, ACS Angewandte technische Materialien (2023). DOI: 10.1021/acsaenm.3c00243