Eine Megabibliothek von Nanopartikeln

Ein einfacher, modularer chemischer Ansatz könnte über 65.000 verschiedene Arten von komplexen Nanostäben herstellen

28.01.2020 - USA

Mit Hilfe einer einfachen Chemie und einer modularen Mix-and-Match-Strategie haben Forscher einen einfachen Ansatz entwickelt, mit dem über 65.000 verschiedene Arten komplexer Nanopartikel hergestellt werden könnten, die jeweils bis zu sechs verschiedene Materialien und acht Segmente enthalten und deren Schnittstellen für elektrische oder optische Anwendungen genutzt werden könnten. Diese stabförmigen Nanopartikel sind etwa 55 Nanometer lang und 20 Nanometer breit - zum Vergleich: ein menschliches Haar ist etwa 100.000 Nanometer dick - und viele gelten als die komplexesten, die je hergestellt wurden. Ein Artikel, der die Forschung eines Teams von Chemikern aus dem Penn State beschreibt, erschien am 24. Januar 2020 in der Zeitschrift Science.

"In der Welt der Nanowissenschaften besteht ein großes Interesse an der Herstellung von Nanopartikeln, die mehrere verschiedene Materialien kombinieren - Halbleiter, Katalysatoren, Magnete, elektronische Materialien", sagte Raymond E. Schaak, DuPont Professor für Materialchemie an der Penn State und Leiter des Forschungsteams. "Man kann darüber nachdenken, verschiedene Halbleiter miteinander zu verbinden, um zu steuern, wie sich Elektronen durch ein Material bewegen, oder Materialien auf unterschiedliche Weise anzuordnen, um ihre optischen, katalytischen oder magnetischen Eigenschaften zu verändern. Wir können mit Hilfe von Computern und chemischem Wissen vieles davon vorhersagen, aber der Engpass liegt darin, die Partikel tatsächlich herzustellen, vor allem in einem so großen Maßstab, dass man sie auch tatsächlich nutzen kann.

Das Team beginnt mit einfachen Nanostäben, die aus Kupfer und Schwefel bestehen. Sie ersetzen dann nacheinander einen Teil des Kupfers durch andere Metalle mit Hilfe eines Prozesses, der "Kationenaustausch" genannt wird. Durch die Änderung der Reaktionsbedingungen können sie kontrollieren, wo im Nanorod das Kupfer ersetzt wird - an einem Ende des Stabs, an beiden Enden gleichzeitig oder in der Mitte. Sie können den Prozess dann mit anderen Metallen wiederholen, die ebenfalls an genauen Stellen innerhalb der Nanostäbchen platziert werden können. Durch die Durchführung von bis zu sieben aufeinander folgenden Reaktionen mit mehreren verschiedenen Metallen können sie einen wahren Regenbogen von Partikeln erzeugen - über 65.000 verschiedene Kombinationen von Metallsulfidmaterialien sind möglich.

"Die wahre Schönheit unserer Methode ist ihre Einfachheit", sagte Benjamin C. Steimle, ein graduierter Student an der Penn State und der erste Autor der Arbeit. "Früher dauerte es Monate oder Jahre, um auch nur eine Art von Nanopartikeln herzustellen, die mehrere verschiedene Materialien enthält. Vor zwei Jahren waren wir wirklich begeistert, dass wir mit einer früheren Version dieses Ansatzes 47 verschiedene Metallsulfid-Nanopartikel herstellen konnten. Jetzt, da wir einige bedeutende neue Fortschritte gemacht und mehr über diese Systeme gelernt haben, können wir weit über das hinausgehen, was bisher jeder tun konnte. Wir sind jetzt in der Lage, Nanopartikel mit einer bisher unvorstellbaren Komplexität herzustellen, indem wir einfach die Temperatur und Konzentration kontrollieren, und zwar unter Verwendung von Standard-Laborglasgeräten und Prinzipien, die in einem Einführungskurs in die Chemie behandelt werden.

"Der andere wirklich spannende Aspekt dieser Arbeit ist, dass sie rational und skalierbar ist", sagte Schaak. "Weil wir verstehen, wie alles funktioniert, können wir ein hochkomplexes Nanopartikel identifizieren, einen Weg zu seiner Herstellung planen und dann ins Labor gehen und es tatsächlich ganz einfach herstellen. Und diese Partikel können in nützlichen Mengen hergestellt werden. Im Prinzip können wir jetzt machen, was wir wollen und so viel wir wollen. Es gibt natürlich immer noch Einschränkungen - wir können nicht warten, bis wir in der Lage sind, dies mit noch mehr Arten von Materialien zu tun - aber selbst mit dem, was wir jetzt haben, ändert sich die Art und Weise, wie wir über das denken, was möglich ist, zu machen".

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