Experimente mit modernsten Streuinstrumenten zeigen, dass in den von Nanokompositmaterialien gestreuten Röntgenstrahlen keine spezifischen Muster vorhanden sind. Mithilfe fortschrittlicher Simulationstechniken legt eine neue Studie nahe, dass attraktive Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln unterschiedlicher Form und Größe höchstwahrscheinlich für dieses Verhalten verantwortlich sind.
Die Kleinwinkelstreuung von Röntgenstrahlen und Neutronen ist ein nützliches Werkzeug zur Untersuchung von Molekül- und Nanopartikelstrukturen. Bisher haben Experimente jedoch einen überraschenden Mangel an Nanopartikelstruktur in bestimmten Nanokompositmaterialien offenbart – deren Molekülgerüste durch Nanopartikel verstärkt werden, die zuvor mit Polymeradsorption behandelt wurden.
In einem neuen Ansatz detailliert in EPJ EAnne-Caroline Genix und Julian Oberdisse von der Universität Montpellier, Frankreich, zeigen, dass diese Muster nur durch attraktive Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln unterschiedlicher Formen und Größen erzeugt werden können.
Die Ergebnisse des Duos unterstreichen die sich rasch verbessernden Fähigkeiten von Instrumenten zur Kleinwinkelstreuung und könnten Forschern auch dabei helfen, ihre Techniken zur Untersuchung von Nanokompositen zu verbessern – mit Anwendungen in Bereichen wie miniaturisierter Elektronik, biologischem Tissue Engineering und starken, leichten Materialien für Flugzeuge.
Wenn Röntgenstrahlen oder Neutronenstrahlen mit Atomen in Materialproben interagieren, führt die resultierende Impulsübertragung dazu, dass sie in charakteristischen Mustern gestreut werden, die je nach Molekülstruktur der Probe variieren. In den letzten Jahren wurden die Instrumente zur Messung dieser Streuung rasch verbessert und ermöglichen eine schnellere Datenerfassung sowie genauere und umfassendere Messungen der Änderungen der Partikelgeschwindigkeiten und -richtungen.
In ihrer jüngsten Forschung haben Genix und Oberdisse die Technik verwendet, um die Strukturen konzentrierter Nanokomposite auf Polymerbasis zu untersuchen. Es ist bekannt, dass bei hohen Nanopartikelkonzentrationen Wechselwirkungen zwischen den Partikeln das Streumuster verändern.
Doch überraschenderweise stellte das Duo in ihren Experimenten fest, dass dies offenbar nicht der Fall war: Stattdessen schienen die beobachteten Röntgenstreumuster auf einzelne Nanopartikel hinzudeuten. Um dieses Ergebnis zu erklären, führten die Forscher numerische Simulationen durch, um die Positionen von Nanopartikeln im Raum mit den beobachteten Streumustern in Beziehung zu setzen.
Sie entdeckten, dass bei hohen Nanopartikelkonzentrationen attraktive Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln unterschiedlicher Formen und Größen zu einem nahezu „strukturlosen“ Zustand im Nanokomposit führen – was das Fehlen spezifischer Merkmale in ihren Beobachtungen erklärt. Diese Entdeckung bietet wichtige Einblicke in die molekularen Eigenschaften von Nanokompositen und wie sie so konstruiert werden könnten, dass ihre einzigartigen Eigenschaften optimiert werden.
Mehr Informationen:
Anne-Caroline Genix et al., Über das Fehlen von Strukturfaktoren in konzentrierten kolloidalen Suspensionen und Nanokompositen, Das European Physical Journal E (2023). DOI: 10.1140/epje/s10189-023-00306-6