Wissenschaftler entwickeln Nanomaterialien nach einem Bottom-up-Ansatz

Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, beide Deutschland, ist es gelungen, Nanomaterialien im sogenannten Bottom-up-Ansatz zu entwickeln. Wie im Journal berichtet ACS NanoDabei machen sie sich die Tatsache zunutze, dass Kristalle bei der Kristallisation oft in eine bestimmte Richtung wachsen. Diese resultierenden Nanostrukturen könnten in verschiedenen technologischen Anwendungen eingesetzt werden.

„Unsere Strukturen könnte man als wurmartige Stäbe mit Verzierungen beschreiben“, erklärt Prof. Felix Schacher. „Eingebettet in diese Stäbchen sind kugelförmige Nanopartikel, in unserem Fall war das Kieselsäure. Anstelle von Kieselsäure könnten aber auch leitfähige Nanopartikel oder Halbleiter verwendet werden – oder sogar Mischungen, die sich mit unserer Methode selektiv in den Nanokristallen verteilen lassen“, sagt er fügt hinzu. Dementsprechend breit ist das Spektrum möglicher Anwendungen in Wissenschaft und Technik, das von der Informationsverarbeitung bis zur Katalyse reicht.

Den Entstehungsprozess verstehen und steuern

„Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag darauf, die Herstellungsmethode als solche zu verstehen“, erklärt der Chemiker. Um Nanostrukturen herzustellen, gibt es zwei unterschiedliche Ansätze: Man zerkleinert größere Partikel auf Nanometergröße oder baut die Strukturen aus kleineren Komponenten auf.

„Wir wollten diesen Aufbauprozess verstehen und steuern“, beschreibt Schacher. Dafür nutzte das Team einzelne Siliziumdioxidpartikel, sogenannte Silica, und aufgepfropfte kettenartige Polymermoleküle als eine Art Hülle.

„Man könnte es sich wie Haare auf einer Kugel vorstellen“, erklärt der Wissenschaftler. Er fügt hinzu: „Diese Haare bestehen aus einem Material namens ‚Poly-(isopropyl-oxazolin)‘. Dieser Stoff kristallisiert beim Erhitzen. Und das ist die Idee unserer Methode: Kristalle wachsen fast nie in alle Richtungen gleichzeitig, sondern bevorzugen eine bestimmte Richtung. Das nennt man Anisotropie. So konnten wir unsere Nanostrukturen gezielt wachsen lassen.“

Dabei entdeckte das Team ein faszinierendes Phänomen. „Damit das Polymer kristallisiert, sind winzige Mengen erforderlich, die nicht an eine Partikeloberfläche gebunden sind, sondern in der Reaktionslösung frei vorliegen und als eine Art Klebstoff wirken. Wir haben herausgefunden, dass die benötigten Mengen so gering sind, dass sie kaum nachweisbar sind.“ . Aber sie werden gebraucht“, fügt er hinzu.

Schacher freut sich besonders über die einzigartige Zusammenarbeit, die diese Forschung ermöglicht hat. „Ohne die hervorragende Zusammenarbeit mit Prof. Michael Engel von der Universität Erlangen wäre diese Arbeit nicht zustande gekommen“, betont der Jenaer Wissenschaftler.

„Mit Hilfe von Computersimulationen, die das Verhalten über mehrere Skalen hinweg abbildeten, konnten wir die komplexen molekularen Prozesse, die der Entstehung der Nanostrukturen zugrunde liegen, detailliert aufklären. Das war eine spannende Herausforderung“, fügt Engel hinzu.

Beide Wissenschaftler kommen zu dem Schluss: „Wir hatten Anfang des Jahres die Gelegenheit, gemeinsam an einem Programm des Kavli Institute for Theoretical Physics (KITP) an der University of California in Santa Barbara teilzunehmen. Während dieses Workshops haben wir gemeinsam dieses Manuskript geschrieben. Die zugrunde liegenden Experimente.“ Natürlich gab es im Vorfeld – teilweise im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs TRR 234 „CataLight“ – die inspirierende Atmosphäre des Workshops, die uns den nötigen Schwung gab, die Arbeit abzuschließen.“