Wie von Zauberhand geschaffen: Das Wachstum von Silikat-Nanokanälen
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Kristalle sind hochgeordnete Strukturen, die von allein entstehen können. Ähnlich wachsen und verbinden sich auch winzig kleine Silikat-Röhren, die wichtig sind für viele Anwendungen in der Nanotechnologie. Die einzelnen Röhren besitzen nur einen Durchmesser von rund drei Nanometern. Wissenschaftler des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie diesen Strukturen trotz ihrer geringen Größe direkt beim Wachsen zusehen können. Zudem entstanden bisher einmalig große Flächen, die für zahlreiche potenzielle Anwendungen interessant sind, etwa als mit medizinischen Wirkstoffen versehene Implantate.
Die Arbeitsgruppen von Professor Christoph Bräuchle und Professor Jens Michaelis – beide Department für Chemie der LMU – setzen für die Untersuchung längliche, fluoreszierende Farbstoffmoleküle ein, die sich der Länge nach in die Nanokanäle einlagern. Durch Polarisationsfluoreszenzmikroskopie mit Hilfe eines speziellen konfokalen Laserscanning-Mikroskops können die Wissenschaftler die Orientierung der Farbstoffmoleküle erkennen und von dieser direkt auf die Ausrichtung der Silikat-Röhren schließen. Die Größe solcher orientierter Bereiche (in den Achsen x,y) und ihre Stapelung (in z) konnte zusätzlich mit einem Rasterkraftmikroskop ermittelt werden.
Besonders interessant ist jedoch, dass die Experimentatoren direkt zusehen konnten, wie schnell sich neue Kanäle bilden und wie sich die Struktur erweitert, sozusagen in Echtzeit. Dabei beobachteten sie, dass Temperatur und Feuchtigkeit großen Einfluss auf das Wachstum ausüben. Während sich beispielsweise bei 35°C innerhalb von Minuten Domänen von einigen Mikrometern Ausmaß bildeten, wuchsen die Strukturen bei 25°C langsam, aber stetig über Stunden, und es entstanden bisher einmalig große Flächen mit bis zu 0,3 Millimetern Länge.
Dank dieser Echtzeit-Methode konnten die Wissenschaftler außerdem die Schritte vom Ausgangszustand, einer sogenannten lamellaren Struktur aus zweidimensionalen Schichten aus Silikat, bis zu den dreidimensional angeordneten Silikat-Nanokanälen in einer sogenannten hexagonalen Struktur beobachten. Dabei erkannten sie, dass diese Umstrukturierung überall dort startet, wo die hexagonale Kanalstruktur auf bereits bestehende lamellare Bereiche trifft, die sich dann schlagartig umwandeln.
Nanokanal-Strukturen in dieser erstmals erreichten Größenordnung sind für zahlreiche potenzielle Anwendungen interessant. So lassen sie sich möglicherweise in der Medizin mit Wirkstoffen versehen als Implantate einsetzen. Ähnlich einem Sieb könnten sie im Labor komplexe Molekülgemische auftrennen oder als Katalysatoren chemische Reaktionen ermöglichen. Durch die Einlagerung bestimmter Moleküle in die Nanokanäle entstehen spezielle optische Effekte, die für den Einsatz in der Nanooptik von Nutzen sind.
Originalveröffentlichung
“Visualization of the self-assembly of silica nanochannels reveals growth mechanism” Christophe Jung, Peter Schwaderer, Mark Dethlefsen, Ralf Köhn, Jens Michaelis, Christoph Bräuchle Nature Nanotechology online, 09. Januar 2011
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