Nano-Welt: Wo sich Türme selbst bauen
| 02. Juni 2014
Der Turm von Pisa ist von Hand gebaut; in der Nanowelt bauen sich Türme von selber auf. (Foto: Gabriele-Planthaber / Pixelio)
"Patches" mit zwei positiv geladenen Polregionen (gelb) und einer negativ geladenen Mittelregion (grau) werdennahe einer gleichförmig geladenen Trägersubstanz (gelb) eingeschlossen. (Grafik: Emanuela Bianchi)
Ein Turm, dessen Ziegelsteine sich selbst zusammenfügen, das ist absurd – nicht so in der Nano-Welt: Die PhysikerInnen Christos Likos (Universität Wien), Emanuela Bianchi und Gerhard Kahl (beide TU Wien) forschen daran, selbst konstruierende Substanzen im Nano-Bereich zu steuern.
Stellen Sie sich vor, ein Turm fügt sich nach Auswahl der geeigneten Ziegelsteine selbst zur Zielstruktur zusammen. In der Nano-Welt ist das Realität: Denn dort kann eine ungeordnete Menge von Komponenten das spontane Entstehen einer geordneten Struktur auslösen – eine sogenannte Selbstassemblierung. Die PhysikerInnen Christos Likos (Universität Wien), Emanuela Bianchi und Gerhard Kahl (beide TU Wien) erforschen, wie selbst konstruierende Substanzen im Nano-Bereich zu steuern sind. Aktuell gelang es ihnen, den Selbstassemblierungsprozess aufgrund unterschiedlich geladener Teilchen gezielt "an- und abzuschalten". Ihre Ergebnisse publizierten sie im Fachmagazin "Nano Letters".
Zwischen mikroskopisch und makroskopisch
Materialien im Nano- bzw. Mikromaßstab stehen aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in der Elektronik und Photovoltaik sowie in der biomimetischen Materialsynthese im Fokus der Forschung. "Für die Entwicklung dieser Materialien werden oftmals mesoskopische (zwischen mikroskopisch und makroskopisch) kristalline Zielstrukturen benötigt. Deshalb sind die Naturwissenschaften gefordert, verlässliche, effiziente und günstige Methoden zu entwickeln, um Zielstrukturen mit besonderen Symmetrien und physikalischen Eigenschaften herstellen zu können", erläutert Christos Likos, Professor für Computergestützte Physik an der Universität Wien.
| Links: neutrale IPCs assemblieren sich nicht, wenn sie sich in der Nähe einer geladenen Oberfläche befinden, die die "patches" anzieht. Mitte: Die "patches" bilden eine dichte Struktur, wenn die Trägeroberfläche neutral ist. Rechts: Die "patches" bilden eine offene Struktur, wenn die Mittelregion vom Trägermaterial angezogen wird. (Grafik: American Chemical Society/ACS 2014). |
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Diese Materialien basieren heute zumeist auf der Selbstassemblierung (ohne äußere Einwirkungen) von sorgfältig gewählten, synthetischen Grundstoffen. Das makroskopische Analogon würde z.B. dem Bau eines Turms oder einer Brücke entsprechen, bei dem man lediglich die geeigneten Ziegelsteine auszuwählen hat, die sich von selbst zur Zielstruktur zusammenfügen.
Neues Material für Biosensoren, Datenspeicherung und Photovoltaik
Die Realisierung von zweidimensionalen geordneten Phasen ist im stark nachgefragten Bereich der funktionellen Materialien auf der Nano- und Mikroskala von größter Bedeutung. Niedrig-dimensionierte Systeme mit gut definierten Eigenschaften finden z.B. bei antireflexiven Beschichtungen, Biosensoren, bei der Datenspeicherung sowie in optischen und photovoltaischen Vorrichtungen oder Katalysatoren Anwendung. Die Qualität dieser Materialien basiert auf einem empfindlichen Zusammenspiel zwischen den Eigenschaften der Basisoberfläche und jenen der funktionellen Beschichtung.
Materialien mit unterschiedlich geladener Oberflächenstruktur
Im aktuellen Beitrag in "Nano Letters" konzentrieren sich die WissenschafterInnen um Christos Likos auf komplexe Nano-Einheiten, deren Oberflächenstruktur unterschiedlich geladene Regionen aufweist. Die untersuchten Einheiten sind negativ geladen – nur die Polarregionen an beiden Enden des Teilchens weisen positive Ladungen auf. "Wir haben die Selbstassemblierung der heterogen-geladenen Teilchen untersucht, die sich in der Nähe von homogen-geladenen Trägermaterialien befinden", berichtet Emanuela Bianchi, Elise-Richter-Stipendiatin an der TU Wien und Erstautorin der Studie. "Computersimulationen haben gezeigt, wie komplexe Strukturen im Nanobereich spontan entstehen und wie wir die zweidimensionale Anordnung der Teilchen steuern können", ergänzt Physiker Likos.
Selbstassemblierung gezielt beeinflussen
Abhängig von verschiedenen Parametern, etwa die Ladung der Teilchen oder die Größe der geladene Oberflächenumgebung, können sich flächige Schichten unterschiedlicher Dichte bilden, die möglicherweise auch auf Stimuli von außen unterschiedlich reagieren. "Wir konnten in unseren Untersuchungen feststellen, dass mit der Wahl der Bausteine die Herstellung einer Vielzahl von selbstassemblierenden Strukturen verbunden ist. Dadurch ist es uns gelungen, das spezifische Verhalten zu beschreiben, das durch die Anpassung der relevanten Parameter im jeweiligen System wirkt", freut sich der Physiker über die Ergebnisse. Von allerhöchstem Interesse für die Wissenschaft ist, dass in der Untersuchung aufgezeigt werden konnte, wie der Prozess umgekehrt abläuft und quasi "an- und abgeschaltet" werden kann. (vs)
Die Publikation "Tunable Assembly of Heterogeneously Charged Colloids" (AutorInnen: Emanuela Bianchi, Christos N. Likos und Gerhard Kahl) erschien kürzlich in "Nano Letters".
