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Verbinden der (Nano-)Punkte

Big-Picture-Denken kann die Herstellung von Nanopartikeln vorantreiben

24.08.2018

A. Demotiere, E. Shevchenko/Argonne National Laboratory

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Galliumarsenid-Nanopartikeln unterschiedlicher Form und Größe. Eine solche Heterogenität kann die Kosten erhöhen und den Gewinn bei der Herstellung von Nanopartikeln zu Produkten begrenzen. Eine neue NIST-Studie empfiehlt, dass Forscher, Hersteller und Verwaltungen zusammenarbeiten, um dieses und andere häufige Probleme bei der Herstellung von Nanopartikeln zu lösen.

Die Herstellung von Nanopartikeln von weniger als 100 Nanometern, beweist das Sprichwort: "Gute Dinge kommen in kleinen Verpackungen". Die heute entwickelten Nanopartikel sind integraler Bestandteil von allem, von den Quantenpunkt-Nanokristallen, die die brillanten Displays moderner Fernseher einfärben, bis hin zu den winzigen Stückchen Silber, die helfen mit Verbänden Infektionen zu verhindern. Unternehmen, die von diesen winzigen Bausteinen profitieren wollen, stehen jedoch vor Problemen der Qualitätskontrolle, die, wenn sie nicht angegangen wird, die Effizienz verringern, die Produktionskosten erhöhen und die kommerziellen Effekte der Produkte, die sie enthalten, mindern.

Das National Institute of Standards and Technology (NIST) und das gemeinnützige World Technology Evaluation Center (WTEC) setzen sich dafür ein, dass Nanopartikel-Forscher, Hersteller und Verwaltungen "die Punkte verbinden", indem sie ihre gemeinsamen Herausforderungen umfassend betrachten und sie nicht einzeln, sondern gemeinsam angehen. Dazu gehört der interdisziplinäre Wissenstransfer, die Koordination von Maßnahmen zwischen Organisationen und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen, um Lösungen zu ermöglichen.

"Wir haben uns das Gesamtbild der Herstellung von Nanopartikeln angesehen, um Probleme zu identifizieren, die bei verschiedenen Materialien, Prozessen und Anwendungen auftreten", sagte der NIST-Physiker Samuel Stavis. "Die Lösung dieser Probleme könnte das gesamte Unternehmen voranbringen."

Das Dokument bietet einen Rahmen, um diese Fragen besser zu verstehen. Es ist der Abschluss einer Studie, die von einem vom NIST organisierten Workshop initiiert wurde, der sich auf die grundlegende Herausforderung konzentrierte, die Heterogenität, die unbeabsichtigten Schwankungen in der Größe, Form und anderen Eigenschaften von Nanopartikeln, die während ihrer Herstellung auftreten, zu reduzieren oder abzuschwächen.

"Heterogenität kann erhebliche Auswirkungen auf die Herstellung von Nanopartikeln haben", sagt der NIST-Chemiker Jeffrey Fagan.

In ihrem Beitrag stellten die Autoren fest, dass die profitabelsten Innovationen in der Herstellung von Nanopartikeln die Heterogenität in den frühen Phasen der Operation minimieren und so die Notwendigkeit der Weiterverarbeitung reduzieren. Das verringert den Ausschuss, vereinfacht die Charakterisierung und verbessert die Integration von Nanopartikeln in Produkte, was letztendlich Geld spart.

Die Autoren veranschaulichten dies durch den Vergleich der Produktion von Gold-Nanopartikeln und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Für Gold können die anfänglichen Synthesekosten hoch sein, aber die Ähnlichkeit der hergestellten Nanopartikel erfordert weniger Reinigung und Charakterisierung. Daher können sie zu relativ geringen Kosten zu einer Vielzahl von Produkten, wie z.B. Sensoren, verarbeitet werden.

Im Gegensatz dazu sind die heterogeneren Kohlenstoff-Nanoröhrchen weniger teuer in der Synthese, erfordern aber mehr Aufbereitung, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Die Mehrkosten bei der Herstellung machen Nanoröhrchen derzeit nur für hochwertige Anwendungen wie z.B. digitale Logikbauteile sinnvoll.

"Obwohl diese Nanopartikel und ihre Endprodukte sehr unterschiedlich sind, können die Stakeholder bei ihrer Herstellung viel voneinander lernen", sagt der NIST-Materialwissenschaftler J. Alexander Liddle. "Indem sie ihr Wissen teilen, können sie vielleicht beide scheinbar unvereinbaren Prozesse verbessern."

Wege wie diese zu finden, um die Punkte zu verbinden, sagten die Autoren, ist von entscheidender Bedeutung für neue Unternehmen, die Nanopartikel-Technologien vom Labor auf den Markt bringen wollen.

"Die Herstellung von Nanopartikeln kann so teuer werden, dass die Finanzierung ausläuft, bevor das Endprodukt vermarktet werden kann", sagt Michael Stopa, Berater der WTEC Nanotechnologie. "In unserem Beitrag skizzierten wir mehrere Möglichkeiten, die Chancen zu verbessern, dass neue Unternehmen ihre Reisen durch diesen Technologietransfer "Tal des Todes" überleben werden."

Schließlich haben die Autoren untersucht, wie sich Herausforderungen und Innovationen in der Fertigung auf die ständig wachsende Zahl von Anwendungen für Nanopartikel auswirken, unter anderem in den Bereichen Elektronik, Energie, Gesundheitswesen und Materialien.

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