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22.03.2021

Farben aus dem Zylinder zaubern

Nanorods: Schematischer Aufbau Nanorods: Schematischer Aufbau Schematischer Aufbau der „green nanorods“: Der sphärische Kern aus Cadmiumselenid (rot) ist von einer kristallinen ellipsoidalen Cadmiumsulfid (orange) und einer kristallinen, zylindrischen Zinksulfidschicht (grau) umgeben. Stabilisiert wird dieses komplexe „Kern-Schale-Schale“ Partikel von einer organischen Ligandenhülle (grün). © Reiner Müller / FRM II, TUM

Schematischer Aufbau der „green nanorods“: Der sphärische Kern aus Cadmiumselenid (rot) ist von einer kristallinen ellipsoidalen Cadmiumsulfid (orange) und einer kristallinen, zylindrischen Zinksulfidschicht (grau) umgeben. Stabilisiert wird dieses komplexe „Kern-Schale-Schale“ Partikel von einer organischen Ligandenhülle (grün). © Reiner Müller / FRM II, TUM

Nanopartikel stecken in Arzneimitteln, Katalysatoren oder auch Fernsehern. Forschende der Chemiefirma Merck, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben mit Neutronen am MLZ zylinderförmige Nanopartikel untersucht. Sie eignen sich besonders gut dazu, um elektrische Signale in Licht oder umgekehrt Licht in Strom umzuwandeln.

Grüne Nanozylinder versprechen vielseitige Anwendungen: So stecken sie zum Beispiel bereits in Bildschirmen moderner QLED Fernseher. Sie bestehen aus Cadmiumselenid mit zylinderförmigen Schutzhüllen, wobei die äußerste Stabilisationsschicht eine organische Hülle ist, deren Kohlenwasserstoffketten wie kleine Härchen nach außen ragen. Ihren Namen verdanken die Nanopartikel ihrem stark ausgeprägten grünen Leuchten. „Der Vorteil von solchen Nanopartikeln ist, dass ihre optischen Eigenschaften und damit die Farbe des Leuchtens durch ihre Größe eingestellt werden können. Darüber hinaus können anorganische Teilchen im Gegensatz zu ihren organischen Gegenstücken nicht ausbleichen“, sagt Prof. Dr. Tobias Unruh vom Institut für Kristallographie und strukturelle Physik der FAU.

Nanorods im Becherglas Nanorods im Becherglas Im linken Becherglas sind die Nanozylinder gelöst. Man erkennt die grüne Farbe, der sie ihren Namen verdanken. © FAU

Im linken Becherglas sind die Nanozylinder gelöst. Man erkennt die grüne Farbe, der sie ihren Namen verdanken. © FAU

Schutzhüllen konservieren die Eigenschaft der Nanopartikel

Forscherinnen und Forscher können spezielle Eigenschaften der Nanopartikel einstellen, indem sie ihre chemische Zusammensetzung, Struktur aber auch ihre Größe, Form und Grenzflächenbeschaffenheit ändern. Das Problem ist, dass die Nanopartikel im Kontakt mit Molekülen ihrer Umgebung diese besonderen Eigenschaften ganz oder teilweise verlieren. Die Schutzhüllen sollen das verhindern und zudem den Kontakt untereinander steuern. Aktuell fehlen jedoch Methoden und Modelle, die die Herstellung solch komplexer Nanopartikel mit maßgeschneiderten Eigenschaften vorhersagen. Dafür hat das Forscherteam die Struktur bereits bekannter Nanopartikel genau untersucht.

Nanorods unter dem Elektronenmikroskop Nanorods unter dem Elektronenmikroskop Nanozylinder unter dem Elektronenmikroskop. So lassen sich die Abmessungen einzelner Nanozylinder bestimmen. Mit Neutronen durchleuchten die Forschenden einen wesentlich größeren Probenabschnitt und erhalten gemittelte Werte mehrerer Zylinder. © FAU

Nanozylinder unter dem Elektronenmikroskop. So lassen sich die Abmessungen einzelner Nanozylinder bestimmen. Mit Neutronen durchleuchten die Forschenden einen wesentlich größeren Probenabschnitt und erhalten gemittelte Werte mehrerer Zylinder. © FAU

Neutronen zeigen die Stabilität der Hülle

Bei der Herstellung der Nanopartikel werden organische Moleküle hinzugegeben, die teils zur Synthese benötigt, teils in die Hülle selbst eingebaut werden. Am Ende müssen die Reste der organischen Moleküle ausgewaschen werden, ohne die Hülle selbst abzutragen. Bislang war unklar, wie sehr die Hülle darunter leidet. „Mithilfe der Neutronen konnten wir die organische Hülle genauer betrachten“, sagt Dr. Sebastian Busch, Instrumentwissenschaftler am SANS-1 Instrument des MLZ, an dem die Nanopartikel untersucht wurden. Neutronen eignen sich hervorragend für diese Untersuchung, denn, wenn man im Lösungsmittel Wasserstoff durch Deuterium ersetzt, kann man die Hülle sehr leicht von ihrer Umgebung unterscheiden. Die Forscherinnen und Forscher zeigten mit den Neutronenmessungen, dass der Waschvorgang die Hülle nicht nur unbeschadet lässt, sondern sogar verstärkt.

Originalpublikation:

Lin, W., Greve, C., Härtner, S., Götz, K., Walter, J., Wu, M., Rechberger, S., Spiecker, E., Busch, S., Schmutzler, T., Avadhut, Y., Hartmann, M., Unruh, T., Peukert, W., Segets, D., Unraveling Complexity: A Strategy for the Characterization of Anisotropic Core Multishell Nanoparticles. Part. Part. Syst. Charact. 2020, 37, 2000145.
https://doi.org/10.1002/ppsc.202000145

Weitere Informationen:

Lehrstuhl für Feststoff- und Grenzflächenverfahrenstechnik der FAU: https://www.lfg.tf.fau.de/institute/
Institute for Crystallography and Structural Physics der FAU: https://www.icsp.nat.fau.eu/
Forschungsgruppe von Prof. Doris Segets (UDE): https://www.uni-due.de/ivg/segets-group/
Merck KGaA, Electronics: https://www.merckgroup.com/de/company/who-we-are/electronics.html

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