15.02.2021 - National Institute of Standards and Technology (NIST)

Nanopartikel-Gel vereint Öl und Wasser in einem fertigungsfreundlichen Ansatz

Neuartige Methode zur Gelherstellung könnte Anwendungen in der Wasserfiltration und anderen Bereichen eröffnen

Öl und Wasser mögen sich nicht vermischen, aber wenn man die richtigen Nanopartikel zum Rezept hinzufügt, können diese beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten in ein exotisches Gel umgewandelt werden, dessen Einsatzmöglichkeiten von Batterien über Wasserfilter bis hin zu intelligenten Fenstern mit Farbwechsel reichen. Ein neuer Ansatz zur Herstellung dieser ungewöhnlichen Klasse weicher Materialien könnte sie aus dem Labor heraus und auf den Markt bringen.

Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Delaware haben einen besseren Weg zur Herstellung dieser Gele gefunden, die seit mehr als einem Jahrzehnt Gegenstand intensiver Forschung sind. Ein Teil ihres potenziell breiten Nutzens liegt in der komplexen Reihe miteinander verbundener mikroskopischer Kanäle, die sich in ihnen bilden und eine schwammartige Struktur bilden. Diese Kanäle bieten nicht nur Durchgänge für andere Materialien, was sie für die Filtration nützlich macht, sondern verleihen dem Gel auch eine große innere Oberfläche, eine Eigenschaft, die für die Beschleunigung von chemischen Reaktionen oder als Gerüst, auf dem lebendes Gewebe wachsen kann, wertvoll ist.

Während diese und andere Vorteile den Anschein erwecken, dass die Gel-Innovatoren auf Öl gestoßen sind, haben sich ihre Kreationen noch nicht gut auf dem Markt durchgesetzt. Die Gele werden in der Regel aus zwei flüssigen Lösungsmitteln gebildet, die miteinander vermischt werden. Wie bei Öl und Wasser vermischen sich diese Lösungsmittel nicht gut, aber um zu verhindern, dass sie sich vollständig trennen, fügen die Forscher maßgeschneiderte Nanopartikel hinzu, die sich an der Grenzfläche zwischen ihnen aufhalten können. Durch vorsichtiges Kochen dieser Zutaten kann sich ein kohäsives Gel bilden. Der Prozess ist jedoch anspruchsvoll, da die Entwicklung von Nanopartikeln für jede Anwendung schwierig ist und die Bildung der Gele eine sorgfältig kontrollierte schnelle Temperaturänderung erfordert. Diese Einschränkungen haben es schwer gemacht, diese Art von Gel in mehr als nur kleinen Mengen herzustellen, die eher für Laborexperimente als für den industriellen Maßstab geeignet sind.

Wie in einer neuen Veröffentlichung in Nature Communications beschrieben, hat das NIST/Delaware-Team einen Weg gefunden, viele dieser Probleme zu umgehen. Ihr neuartiger Ansatz bildet das, was die Forscher als "SeedGel" bezeichnen, eine Abkürzung für "solvent segregation driven gel". Anstatt die Nanopartikel so zu gestalten, dass sie an der Grenzfläche zwischen den beiden Lösungsmitteln verbleiben, konzentrieren sich die von ihnen ausgewählten Partikel in einem der beiden Lösungsmittel. Während diese Partikel dazu neigen, sich gegenseitig abzustoßen, ist die Affinität der Partikel zu einem der Lösungsmittel stärker und hält sie in dem Kanal zusammen. Mit Hilfe der Neutronenstreuung am NIST Center for Neutron Research (NCNR) konnte das Team eindeutig nachweisen, dass es gelungen war, die Nanopartikel dort zu konzentrieren, wo es wollte.

Das resultierende Gel könnte viel einfacher herzustellen sein, da seine beiden Lösungsmittel im Wesentlichen Öl und Wasser sind und seine Nanopartikel Siliziumdioxid sind - im Wesentlichen winzige Kugeln aus gewöhnlichem Quarz. Es könnte auch eine Vielzahl von industriellen Anwendungen haben.

"Unser SeedGel hat eine große mechanische Festigkeit, es ist viel einfacher herzustellen und der Prozess ist skalierbar auf das, was Hersteller benötigen würden", sagte Yun Liu, der sowohl ein NCNR-Wissenschaftler als auch ein angeschlossener ordentlicher Professor an der Universität von Delaware ist. "Außerdem ist es thermoreversibel."

Diese Reversibilität bezieht sich auf eine optische Eigenschaft, die das fertige SeedGel besitzt: Es kann von transparent zu undurchsichtig und wieder zurück wechseln, indem es einfach seine Temperatur ändert. Diese Eigenschaft könnte in intelligenten Fenstern genutzt werden, bei denen eine dünne Schicht des Gels zwischen zwei Glasscheiben eingebettet ist.

"Diese optische Eigenschaft könnte das SeedGel auch für andere lichtempfindliche Anwendungen nützlich machen", sagt Yuyin Xi, ein Forscher von der University of Delaware, der ebenfalls am NCNR arbeitet. "Sie könnten in Sensoren nützlich sein."

Da der Ansatz des Teams zur Gel-Erzeugung auch mit anderen Lösungsmittel- und Nanopartikel-Kombinationen verwendet werden kann, könnte er in Filtern für die Wasserreinigung und möglicherweise in anderen Filtrationsprozessen nützlich werden, je nachdem, welche Art von Nanopartikeln verwendet wird.

Liu sagte auch, dass der Entstehungsansatz es ermöglicht, die Größe der Kanäle innerhalb des Gels abzustimmen, indem die Rate, mit der sich die Temperatur während des Entstehungsprozesses ändert, verändert wird, was den Anwendungsdesignern einen weiteren Freiheitsgrad zur Erforschung bietet.

"Unserer ist ein generischer Ansatz, der für viele verschiedene Nanopartikel und Lösungsmittel funktioniert", sagte er. "Es erweitert die Anwendungsmöglichkeiten dieser Art von Gelen erheblich."

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