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Nanopartikel-Assemblies

Charakterisierung von Nanopartikel-Assemblies

21.12.2009 | Autor / Redakteur: Stephan Förster* / Marc Platthaus

Abb. 1: Nanopartikel vermitteln u.a. die Funktion als Nanocomposites: Homogen in organische Polymerteilchen eingearbeitet und fixiert, erzeugen sie hier ein ideales Eigenschaftsprofil bei Fassadenfarben.
Abb. 1: Nanopartikel vermitteln u.a. die Funktion als Nanocomposites: Homogen in organische Polymerteilchen eingearbeitet und fixiert, erzeugen sie hier ein ideales Eigenschaftsprofil bei Fassadenfarben.

Nanopartikel liegen in Lösung häufig in assoziierter Form vor. Die Charakterisierung dieser Aggregate ist eine besondere analytische Herausforderung. Durch eine Kombination moderner Mikroskopie- und Streumethoden lassen sich mittlerweile selbst komplizierteste Aggregatformen aufklären.

Die Materialforschung und pharmazeutische Forschung ist inzwischen in der Lage, komplexe nanostrukturierte Multikomponentensysteme für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzeugen. Dabei finden immer häufiger Nano-partikel aus Metallen, Oxiden, Halbleitern oder organischen Materialien Verwendung. Die Nanopartikel vermitteln die Funktion als Katalysatoren, elektro-optische Schichten, Nanocomposites, Diagnostika oder Therapeutika. Da Nanopartikel in praktisch allen Fällen in Lösungsmitteln unlöslich und mit Polymeren nicht mischbar sind, neigen sie bei der Synthese, Isolierung, Aufarbeitung und Verarbeitung stark zur Aggregation. Dies beeinträchtigt häufig die Funktion und damit die Effizienz der daraus hergestellten Materialien, z.B. in der Katalyse. In vielen Fällen ist es aber gerade die Aggregation, die zur gewünschten Materialeigenschaft führt. Eine gezielte Kontrolle der Aggregation von Nanopartikeln ist deshalb ein Schlüsselschritt für viele Anwendungen. Die erfolgreiche Entwicklung solcher Materialien setzt eine leistungsfähige Strukturanalytik voraus, die detailliert Aufschluss über die Aggregatbildung und Aggregatstruktur geben kann. Dies ist nach wie vor eine Herausforderung, da die Aggregate in der Regel Strukturmerkmale mit charakteristischen Abmessungen über einen Bereich von wenigen Nanometern bis mehreren hundert Mikrometern aufweisen, die eine geeignete Kombination vieler analytischer Methoden erfordern. Es gibt keine Methode, mit der die Erfassung des gesamten Größenbereichs möglich wäre. Nur durch eine Kombination moderner strukturanalytischer Methoden ist eine detaillierte Strukturaufklärung möglich. Die Charakterisierung von Nanopartikel-Assemblies ist ein besonders herausforderndes Beispiel aus dem Bereich der Nanowissenschaften.

Nanopartikel-Assoziation

Die Arbeitsgruppe Physikalische und Makromolekulare Chemie der Universität Hamburg beschäftigt sich seit vielen Jahren mit der kontrollierten Assoziation von Tensiden, Nanopartikeln und Polymeren in definierte Überstrukturen. Dabei werden gezielt Selbstorganisations-Prozesse genutzt. Die Aufklärung der zugrunde liegenden physiko-chemischen Prinzipien ist ein Schlüsselschritt zur kontrollierten Herstellung nanostrukturierter Multikomponentensysteme. Die Assoziation von Nanopartikeln kann durch Beschichtung mit Polymeren kontrolliert werden. Dieses Prinzip ist in der Kolloidchemie unter sterischer Stabilisierung bekannt. Ein kürzlich erzielter Erfolg war die kontrollierte Assoziation von Nanopartikeln in stabile Netzwerke und vesikuläre Strukturen. Die Aufklärung des Bildungsmechanismus war nur durch eine Kombination mehrerer Charakterisierungsmethoden möglich. Bei den untersuchten Nanopartikeln handelt es sich um CdSe-Nanopartikel mit Durchmessern im Bereich von 2 bis 10 nm. CdSe-Nanopartikel zeichnen sich durch eine intensive Fluoreszenz im sichtbaren Bereich des Lichts aus. Sie werden insbesondere für Anwendungen in der Photovoltaik und Diagnostik untersucht. Die Beschichtung der Nanopartikel mit Polymeren, im vorliegenden Fall Polyethylenglykol, vermittelt eine gute Löslichkeit und Stabilität in wässrigen Lösungen. Dabei kann die Belegungsdichte der Polymere variiert werden. Bei niedrigeren Belegungsdichten verringert sich die Stabilität, sodass die Nanopartikel eine Tendenz zur Aggregation zeigen. Über die Belegungsdichte lässt sich die Assoziation der Nanopartikel gezielt steuern.

  • Seite 2 beschreibt die dynamische Lichstreuung und die Cryo-Transmissions-EM
  • Auf Seite 3 geht es um den Bildungsmechanismus der Nanopartikel-Aggregate

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