Würfel und Kugeln im Nanomaßstab
Einheitliche poröse Nanoobjekte aus Siliciumoxid durch gezielten Abbau einer Gitterstruktur
Poröse Nanoobjekte mit definierter Form und Größe sind beispielsweise als Käpselchen für Enzyme, als Transportmittel für pharmakologische Wirkstoffe oder als Bausteine für größere Nanostrukturen sehr interessant. Derartige winzige dreidimensionale Objekte gezielt und kontrolliert herzustellen - und das auf möglichst einfache, aber effektive Weise - ist immer noch eine Herausforderung für die Wissenschaft. An der University of Minnesota hat ein Team um Andreas Stein nun einen interessanten neuen Ansatz für die Herstellung nanoskopischer Würfel und Kugeln aus Siliciumoxid entwickelt. Die Partikel entstehen nicht durch Aufbau aus kleineren Einheiten, sondern durch den gesteuerten Abbau größerer gitterartiger Strukturen.
Die meisten der herkömmlichen Herstellungsmethoden für poröse Siliciumoxid-Nanopartikel kranken daran, dass die wachsenden Partikel sehr leicht aggregieren, sodass eine einheitliche Größe nur sehr schwer zu erzielen ist. Die Form der Teilchen ist erst recht kaum zu beeinflussen. Stein und sein Team wählten daher den umgekehrten Weg und bauten zunächst eine Gitterstruktur aus Siliciumoxid auf, die sie dann gezielt wieder abbauten. Als "Gussform" für das Gitter dienen winzige Kügelchen aus dem Kunststoff Polymethylmethacrylat (PMMA), die sich in Form einer "dichtesten Kugelpackung" zu einem so genannten Kolloidkristall zusammenlagern. Zwischen den Kugeln bilden sich kleine annähernd tetraeder- und oktaederförmige Zwischenräume. Diese füllen die Forscher mit einer Lösung von Oxalsäure, einer siliciumorganischen Verbindung und eines Tensids auf. Diese Mischung erstarrt zu einem festen Gel. Durch Erhitzen werden nun die Kunststoff-Kügelchen und das Tensid verbrannt. Das Tensid hinterlässt dabei kleine Poren. Gleichzeitg wandelt sich die gelierte siliciumorganische Verbindung langsam in ein festes Siliciumoxid um. Übrig bleibt zunächst ein silikatisches Gerüst als Negativ der Kugelpackung: winzige Tetraeder und Oktaeder, die über feine Stege miteinander verbunden sind. Mit fortschreitender Umsetzung zum Siliciumoxid schrumpft die Struktur, bis sie an den schwächsten Stellen bricht, den Stegen. Dabei entstehen Bruchstücke in Form von Oktaedern und kleineren Tetraedern. Nach und nach kontrahieren diese weiter, bis aus den Oktaedern nahezu würfel- und aus den Tetraedern nahezu kugelförmige, sehr einheitliche Gebilde mit wurmartigen Poren entstehen.
Über eine Variation der als Gussform dienenden Kolloidkristalle lassen sich die Größe und die Formen der entstehenden Partikel steuern. Durch Bedampfen oder Aufpolymerisieren anderer Verbindungen auf die kleinen Objekte und anschließendes Wegätzen des Siliciumoxids lässt sich die neue Technik auch als Ausgangspunkt für Nanostrukturen aus anderen Materialien nutzen.
Original publications: Andreas Stein et al.; "Shaping Mesoporous Silica Nanoparticles by Disassembly of Hierarchically Porous Structures"; Angewandte Chemie 2006
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