Donuts im Minimaßstab: Kolloid-Kristalle als Gussform für Nanoringe
Techniker und Wissenschaftler sind von den fast magisch anmutenden Eigenschaften ringförmiger Objekte fasziniert. Beispielsweise können Magnetfelder in leitfähigen Ringen einen permanenten Wirbelstrom erzeugen, und geschickt miteinander gemischte Stäben und Ringe wirken als Spulen und Antennen und führen so zu Materialien mit erstaunlichen optischen Eigenschaften, wie z.B. einem negativen Brechungsindex. Diese Phänomene sind jedoch größenabhängig. Insbesondere wenn die Ringe mit sichtbarem Licht wechselwirken sollen, muss ihre Größe bis in den Submikrometerbereich einstellbar sein. Aber wie macht man solche winzigen Ringe? Werner Goedel und Feng Yan von der TU Chemnitz haben eine neue "dreidimensionale" Strategie entwickelt, bei der so genannte Kolloid-Kristalle als Gussformen dienen.
Als erstes werden gerade einmal mikrometergroße Kügelchen in einem Lösungsmittel aufgeschlämmt und in einer Zentrifuge zu einer regelmäßigen dreidimensionalen Packung, dem Kolloid-Kristall, zusammengepresst und zu einer "Gussform" getrocknet. Im folgenden Schritt infiltrieren die Wissenschaftler die Gussform mit einer Polymerlösung, beispielsweise Polystyrol in Chloroform. Der besondere Trick: Die Form darf nicht ganz gefüllt werden, sondern nur teilweise. Die Flüssigkeit sackt nun nicht etwa nach unten, sondern sie sammelt sich in den winzigen Spalten um die Kontaktstellen zwischen den Kügelchen und bildet dort kleine Ringe. Ursache für dieses Phänomen sind Kapillarkräfte. Wird nun das Lösungsmittel verdunstet, bleibt das Polystyrol als Feststoff in den Spalten zurück. Im letzten Schritt lösen die Forscher die Kügelchen auf. Was übrig bleibt, sind winzige, wie Donuts anmutende Polystyrol-Ringe von einheitlicher Form und Größe. Die Ringe können aus einer ganzen Reihe unterschiedlicher Materialien hergestellt werden und ihre Größe lässt sich einfach über den Durchmesser der Kügelchen einstellen.
So gelang es den Forschern, Ringe aus unterschiedlichen Polymeren und Keramiken herzustellen und ihre Außendurchmesser zwischen etwa 400 nm und 150 nm zu variieren, die Innendurchmesser lagen dabei im Bereich von 150 nm bis 50 nm.
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