12.08.2020 - Linköping University

Von Nanozellulose zu Gold

Weiche und biokompatible Materialien für optische, katalytische, elektrische und biomedizinische Anwendungen

Wenn Nanozellulose mit verschiedenen Arten von Metallnanopartikeln kombiniert wird, entstehen Materialien mit vielen neuen und aufregenden Eigenschaften. Sie können antibakteriell sein, sich unter Druck verfärben oder Licht in Wärme umwandeln.

"Einfach ausgedrückt, wir machen Gold aus Nanozellulose", sagt Daniel Aili, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biophysik und Bioingenieurwesen am Fachbereich Physik, Chemie und Biologie der Universität Linköping.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Daniel Aili hat eine biosynthetische Nanozellulose verwendet, die von Bakterien produziert und ursprünglich für die Wundversorgung entwickelt wurde. Die Wissenschaftler haben die Zellulose anschliessend mit Metallnanopartikeln, hauptsächlich Silber und Gold, dekoriert. Die Partikel, die nicht grösser als einige Milliardstel Meter sind, werden zunächst auf die gewünschten Eigenschaften zugeschnitten und anschliessend mit der Nanozellulose kombiniert.

"Nanozellulose besteht aus dünnen Zellulosefäden mit einem Durchmesser, der etwa ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares beträgt. Die Fäden fungieren als dreidimensionales Gerüst für die Metallpartikel. Wenn sich die Partikel an die Zellulose anheften, bildet sich ein Material, das aus einem Netzwerk von Partikeln und Zellulose besteht", erklärt Daniel Aili.

Die Forscher können mit hoher Präzision bestimmen, wie viele Partikel sich anlagern und welche Identität sie haben werden. Sie können auch Partikel aus verschiedenen Metallen und mit unterschiedlichen Formen - kugelförmig, elliptisch und dreieckig - mischen.

Im ersten Teil eines wissenschaftlichen Artikels, der in Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde, beschreibt die Gruppe den Prozess und erklärt, warum er so funktioniert, wie er funktioniert. Der zweite Teil konzentriert sich auf mehrere Anwendungsbereiche.

Ein spannendes Phänomen ist die Art und Weise, wie sich die Eigenschaften des Materials bei Druckanwendung verändern. Optische Phänomene entstehen, wenn sich die Teilchen einander nähern und miteinander wechselwirken und das Material seine Farbe ändert. Wenn der Druck zunimmt, erscheint das Material schließlich wie Gold.

"Wir sahen, dass das Material seine Farbe änderte, als wir es mit einer Pinzette aufnahmen, und wir konnten zunächst nicht verstehen, warum", sagt Daniel Aili.

Die Wissenschaftler haben das Phänomen "den mechanoplasmonischen Effekt" genannt, und es hat sich als sehr nützlich erwiesen. Eine eng verwandte Anwendung findet er bei Sensoren, da es möglich ist, den Sensor mit dem bloßen Auge abzulesen. Ein Beispiel: Haftet ein Protein an dem Material, so verändert es unter Druck nicht mehr seine Farbe. Wenn das Protein ein Marker für eine bestimmte Krankheit ist, kann das Ausbleiben der Farbänderung für die Diagnose genutzt werden. Wenn das Material seine Farbe ändert, ist das Markerprotein nicht vorhanden.

Ein weiteres interessantes Phänomen zeigt sich bei einer Variante des Materials, die Licht aus einem viel breiteren Spektrum sichtbaren Lichts absorbiert und Wärme erzeugt. Diese Eigenschaft kann sowohl für energiebasierte Anwendungen als auch in der Medizin genutzt werden.

"Unsere Methode ermöglicht die Herstellung von Kompositen aus Nanozellulose und Metallnanopartikeln, die weiche und biokompatible Materialien für optische, katalytische, elektrische und biomedizinische Anwendungen sind. Da sich das Material selbst zusammensetzt, können wir komplexe Materialien mit völlig neuen, genau definierten Eigenschaften herstellen", so Daniel Aili abschließend.

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