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Nanopartikel Wie entstehen Nanopartikel?

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Der Einsatz von Nanopartikeln soll in vielen Industriezweigen neue Perspektiven eröffnen. In der Medizin sollen sie beispielsweise gezielt Wirkstoffe an Krankheitsherde befördern oder in der Elektronik zur Entwicklung neuer Speichertechnologien dienen. Max-Planck-Wissenschaftler des Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben jetzt die Enstehung solcher Nanopartikel näher untersucht.

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Immer dem Magnetit-Kompass nach: In Mikroorganismen, die sich am Magnetfeld der Erde orientieren, reihen sich rund 20 Magnetosome zu feinen Nadeln auf. Sie enthalten in einer Proteinhülle für jede Art charakteristisch geformte Nanoteilchen aus magnetischem Eisenoxid.
Immer dem Magnetit-Kompass nach: In Mikroorganismen, die sich am Magnetfeld der Erde orientieren, reihen sich rund 20 Magnetosome zu feinen Nadeln auf. Sie enthalten in einer Proteinhülle für jede Art charakteristisch geformte Nanoteilchen aus magnetischem Eisenoxid.
(Bild: MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung)

Potsdam – Nanopartikel sind vielseitige Hoffnungsträger: Sie sollen als Vehikel für medizinische Wirkstoffe oder Kontrastmittel ebenso dienen wie als elektronische Speicherpunkte oder Verstärkung in Stützmaterialien. Um sie für die verschiedenen Anwendungen gezielt in Form zu bringen, leisten Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm und der Universität im niederländischen Eindhoven nun einen grundlegenden Beitrag.

Sie haben in einer Studie an Magnetit-Nanopartikeln ein Modell entwickelt, wie sich abhängig von den physikalischen Eigenschaften kristalline Teilchen eines Materials bilden. Nanopartikel aus Magnetit nutzen manche Bakterien, um sich im Magnetfeld der Erde zu orientieren, sie finden aber auch als Speichermaterial oder Kontrastmittel für Kernspin-Untersuchungen Verwendung. Zu verstehen, wie sie wachsen, könnte helfen, Nanopartikel mit gewünschten Eigenschaften gezielt zu züchten.

In mancher Hinsicht ähnelt Materialdesign der Kindererziehung: Viele Eigenschaften sind von Natur aus gegeben, andere werden durch die Bildung erworben – und das entscheidende passiert dabei ganz am Anfang. In die Kinderstube von Magnetit-Nanopartikeln hat nun ein Team um Damien Faivre, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, geblickt.

Nanopartikel dienen Bakterien als Kompass

Magnetit-Partikel, die sich zu feinen Nadeln anordnen, dienen manchen Meeresbakterien als Kompass, wenn sie sich auf der Suche nach dem Meeresgrund am Magnetfeld der Erde orientieren. Synthetische Magnetit-Teilchen werden aber auch als Speichereinheiten magnetischer Datenträger, in Tinten, magnetischen Flüssigkeiten oder medizinischen Kontrastmitteln eingesetzt. Anhand ihrer Beobachtungen an den Magnetit-Nanoteilchen haben die Potsdamer Forscher nun die etablierte Theorie erweitert, wie aus einer Lösung Kristalle eines Materials entstehen.

Das klassische Modell erklärt die Entstehung vieler Nanopartikel nicht

In der übersättigten Lösung eines Materials ballen sich zunächst spontan, das heißt mehr oder weniger zufällig, einige Atome und Moleküle zu einem Keim zusammen, der dann weiter wächst. Der klassischen Vorstellung des Kristallwachstums zufolge fängt der Keim gelöste Atome oder Moleküle ein. Dabei kann entweder unmittelbar ein perfekt geordneter Kristall oder erst ein amorphes, also unordentliches Konglomerat entstehen, das sich dann zu einem Kristall umstrukturiert.

Über welchen der beiden Wege sich der Kristall bildet, hängt davon ab, ob die kristalline oder die ungeordnete Struktur eine niedrigere Energie aufweist. Die entscheidenden Eigenschaften sind hierbei die Oberflächenenergien der kristallinen und der ungeordneten Variante sowie die Energiebeträge, die frei werden, wenn sich Atome oder Moleküle zu der einen oder der anderen Form verbinden. Eine hohe Oberflächenenergie treibt den Energieaufwand für das Wachstum einer Variante in die Höhe, ein großer Energiegewinn durch die entstehenden Bindungen senkt ihn.

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