Geschichtete Flüssigkeiten ordnen Nanopartikel in nützliche Konfigurationen

Der theoretische Ansatz für die Herstellung von Nanopartikeln basiert auf einer Idee, die der von getrennten Vinaigrettes ähnelt

28.03.2019 - USA

Materialwissenschaftler der Duke University haben einen neuen "Öl-Essig"-Ansatz für die Entwicklung von selbst zusammengesetzten Materialien ungewöhnlicher Architekturen aus sphärischen Nanopartikeln entwickelt. Die daraus resultierenden Strukturen könnten sich für Anwendungen in der Optik, Plasmaphysik, Elektronik und mehrstufigen chemischen Katalyse als nützlich erweisen.

Ein System von suspendierten kugelförmigen Nanopartikeln, die sich verklumpen lassen, wird versuchen, seine Kontaktpunkte zu maximieren, indem es sich so eng wie möglich packt. Dabei entstehen entweder zufällige Cluster oder eine dreidimensionale, kristalline Struktur.

Aber Materialwissenschaftler wollen oft offenere Strukturen mit niedrigeren Dimensionen wie Schnüre oder Bleche bauen, um bestimmte Phänomene zu nutzen, die in den Räumen zwischen verschiedenen Arten von Partikeln auftreten können. Und sie sind immer auf der Suche nach cleveren Möglichkeiten, die Größen und Platzierungen dieser Räume und Partikel präzise zu steuern.

Nanopartikel reagieren auf ihre Umgebung

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In der neuen Studie schlägt Gaurav Arya, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaft an der Duke University, eine Methode vor, die die Schichten von Flüssigkeiten nutzt, die sich wie bei einer Flasche Vinaigrette, die zu lange im Regal stehen gelassen wurde, weigern, sich zu vermischen.

Wenn kugelförmige Nanopartikel in ein solches System eingebracht werden, neigen sie dazu, eine einzige Schicht an der Grenzfläche der gegenüberliegenden Flüssigkeiten zu bilden. Aber sie müssen nicht dort bleiben. Indem man "Öl-" oder "Essig"-Moleküle an die Oberflächen der Partikel anbringt, können Forscher sie mehr auf der einen Seite der Trennlinie schweben lassen als auf der anderen.

"Die Partikel wollen ihre Kontaktzahl maximieren und voluminöse Strukturen bilden, aber gleichzeitig versucht die Grenzfläche der verschiedenen Flüssigkeiten, sie in zwei Schichten zu zwingen", sagt Arya. "Du hast also einen Wettbewerb der Kräfte, und du kannst das nutzen, um verschiedene Arten von einzigartigen und interessanten Strukturen zu bilden."

Aryas Idee ist es, die Menge, mit der jedes kugelförmige Nanopartikel von der einen oder anderen Flüssigkeit abgestoßen wird, präzise zu steuern. Und nach seinen Berechnungen können Materialwissenschaftler durch die Veränderung dieser Eigenschaft zusammen mit anderen, wie z.B. der Zusammensetzung und Größe der Nanopartikel, alle möglichen interessanten Formen erzeugen, von spindelförmigen molekülartigen Strukturen bis hin zu Zickzackstrukturen, bei denen sich nur zwei Nanopartikel gleichzeitig berühren. Man könnte sich sogar vorstellen, dass mehrere verschiedene Schichten zusammenarbeiten, um ein System von Nanopartikeln aufzubauen.

Im Proof-of-Concept-Papier könnten die Nanopartikel aus allem gemacht werden. Gold oder Halbleiter könnten für plasmonische und elektrische Geräte nützlich sein, während andere metallische Elemente verschiedene chemische Reaktionen katalysieren könnten. Die gegenüberliegenden Substrate, die die Grenzfläche bilden, sind nach verschiedenen Arten von Polymeren modelliert, die auch in solchen Anwendungen eingesetzt werden können.

"Bisher haben wir in diesem Papier nur den Montageansatz vorgestellt und sein Potenzial demonstriert, diese exotischen Arrangements zu schaffen, die man normalerweise nicht bekommt", sagte Arya. "Es gibt noch so viele weitere Dinge zu tun. Zum einen möchten wir das gesamte Repertoire möglicher Strukturen und Phasen erforschen, die Forscher mit diesem Konzept machen könnten. Wir arbeiten auch eng mit Experimentatoren zusammen, um die volle Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes zu testen."

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