Janusköpfige Zwerge
Neue Methode zur Herstellung definierter Mikropartikel mit dreidimensionalen Nanomustern
Winzige Teilchen in definierten Größen und Formen, mit speziellen regelmäßigen Mustern versehen, zwei- oder dreidimensional und im Mikro- und Nanomaßstab - viele Wissenschaftler arbeiten fieberhaft an der Entwicklung verlässlicher, aber einfacher Herstellmethoden für solche Gebilde. Nicht von ungefähr, denn die Winzlinge haben unzählige Anwendungen in der modernen Technik, die von diagnostischen Systemen über die Züchtung künstlicher Gewebe bis zur verbesserten Datenspeicherung reichen. Ein Team um Edwin L. Thomas und Patrick S. Doyle vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat nun eine neue Methode für die Hochdurchsatzsynthese dreidimensional gemusterter Polymerpartikel mit morphologischen Merkmalen im Submikrometerbereich entwickelt. Wie in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschrieben, gelingt es mit Hilfe dieser so genannten Stop-Flow-Interferenzlithographie sogar, Janus-Partikel herzustellen, Mikro-Teilchen mit zwei chemisch unterschiedlichen Hemisphären.
"Unsere neue Methode ist eine Kombination aus Phasenmasken-Interferenzlithographie und Mikrofluidlithographie, deren jeweilige Stärken sie vereinigt," erklären die Wissenschaftler. Flüssige Vorstufen eines durch Licht vernetzbaren Polymers werden dabei in ein Mikrofluid-System (ein System aus wenige Mikrometer breiten Kanälchen) eingeleitet, dessen Boden aus einer so genannten Phasenmaske mit periodischer Oberflächenstruktur besteht. Bestrahlt wird die Anordnung durch eine Transparenzmaske, die die Form der entstehenden Partikel bestimmt, in einem Testbeispiel Dreiecken mit 60 µm Seitenlänge. Treten nun die parallelen Lichtstrahlen durch die streng periodische Oberflächenstruktur der Phasenmaske, entsteht eine komplexe dreidimensionale Verteilung der Lichtintensität in der Flüssigkeit (Interferenz). In Regionen hoher Lichtintensität quervernetzen die Polymervorstufen in Form dreidimensionaler Strukturen zu einem festen Hydrogel. Den Forschern gelang es auf diese Weise, den dreieckigen Partikeln eine noppige, gitterartige Struktur zu verleihen.
Da die Methode kontinuierlich arbeitet, lässt sich ein sehr hoher Durchsatz erreichen: Flüssigkeit wird eingeleitet und polymerisiert zu Partikeln, die sofort ausgespült werden, wenn die nächste Flüssigkeitsportion nachfließt - in Zeitspannen unterhalb einer Sekunde. Anders als bei anderen Techniken muss die Flüssigkeit nicht zuvor als gleichmäßige Schicht auf einen Träger aufgebracht und dann schrittweise entwickelt werden.
Zudem kann man in einem Mikrokanal zwei verschiedene Flüssigkeiten nebeneinander fließen lassen, ohne dass diese sich vermischen. Wird die Transparenzmaske so justiert, dass das Licht einen Bereich um die Grenze zwischen den Flüssigkeiten bestrahlt, entstehen Janus-Partikel mit zwei chemisch unterschiedlichen Hemisphären.
Originalveröffentlichung: Edwin L. Thomas et al. "A Route to Three-Dimensional Structures in a Microfluidic Device: Stop-Flow Interference Lithography"; Angewandte Chemie 2007, 119, No. 47, 9185-9189.
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