Neutronenforschung zeigt: Die Mikrostruktur von Lösungsmitteln beeinflusst Nanomaterialien

Nanopartikel sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken: Sie stecken in Medikamenten, Katalysatoren, Farben oder Hightech-Materialien. Traditionell wurden Lösungsmittel als einheitlicher Hintergrund betrachtet. Eine neue Studie zeigt nun, dass Lösungsmittel auf der Nanoskala eine weitaus aktivere Rolle spielen als bisher angenommen.

Aurel Radulescu Dr. Aurel Radulescu positioniert eine Probenumgebung am Kleinwinkelstreudiffraktometer KWS-2. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Dr. Aurel Radulescu positioniert eine Probenumgebung am Kleinwinkelstreudiffraktometer KWS-2. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Dr. Aurel Radulescu vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) hat erstmals quantitativ gemessen, wie sich Lösungsmittelmoleküle auf der Oberfläche von mit Liganden beschichteten Nanopartikeln organisieren. Das überraschende Ergebnis: In bestimmten Gemischen bilden sich winzige Cluster aus nur wenigen Lösungsmittelmolekülen, die die Oberfläche der Partikel gezielt „angreifen“ und sogar deren Form verändern.

Lösungsmittel sind keine einheitliche Flüssigkeit

In der klassischen Chemie werden Lösungsmittel als eine Art einheitlicher Hintergrund betrachtet. Eigenschaften wie Polarität oder Dielektrizitätskonstante werden gemittelt, und in Gemischen nimmt man an, dass sich die Effekte einfach addieren. Für große Systeme im Volumen oder im Mikrometerbereich funktioniert das gut – aber scheinbar nicht für Nanopartikel. Das liegt daran, dass auf einer Oberfläche von nur wenigen Nanometern jedes Molekül nur eine Handvoll Nachbarn „sieht“. Unter diesen Bedingungen entstehen lokale Strukturen: kleine, kurzlebige Ansammlungen von Lösungsmittelmolekülen, die nur etwa einen Nanometer groß sind.

MonteC Schematische Darstellung des experimentellen Ansatzes und der Datenauswertung: Durch die Kombination von SANS-Messungen an KWS-2 und Monte-Carlo-Simulationen lässt sich ein Formübergang der Nanopartikel beobachten, wenn die Zusammensetzung des Lösungsmittels verändert wird. © Forschungszentrum Jülich

Schematische Darstellung des experimentellen Ansatzes und der Datenauswertung: Durch die Kombination von SANS-Messungen an KWS-2 und Monte-Carlo-Simulationen lässt sich ein Formübergang der Nanopartikel beobachten, wenn die Zusammensetzung des Lösungsmittels verändert wird. © Forschungszentrum Jülich

Neutronen machen Unsichtbares sichtbar

Mithilfe einer Kombination aus Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) am MLZ und am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble sowie aufwendiger Computersimulationen untersuchten die Forscher Goldpartikel. „Dadurch konnten wir die Struktur der Nanopartikel bestimmen und auflösen, wie sich ein Lösungsmittel an der organischen Hülle der Partikel organisiert und die Formveränderung der Partikel bewirkt“, erklärt Dr. Radulescu, Instrumentenverantwortlicher des für die Studie genutzten Neutronen-Kleinwinkelstreudiffraktometers KWS-2.

Von perfekten Kügelchen zu länglichen Partikeln

Je nach Zusammensetzung der Lösungsmittelmischung veränderten die Goldpartikel ihre Form: Bei bestimmten Mischungsverhältnissen (um den azeotropen Punkt herum) wurden sie länglich statt kugelförmig. Durch weitere Anpassung der Mischung ließ sich dieser Effekt wieder umkehren. Formänderung, erhöhte Lösungsmittelpenetration und maximale Clusterbildung traten stets gemeinsam auf.

Warum dies wichtig ist

Die Ergebnisse stellen grundlegende Annahmen der Nanochemie in Frage. Im Nanobereich können Lösungsmittel nicht mehr als passive Umgebung betrachtet werden: Stattdessen wirken sie als aktive, strukturbestimmende Faktoren. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Form, Stabilität und Verhalten von Nanomaterialien durch gezielte Lösungsmittelauswahl zu steuern.

Redaktionell gekürzte Fassung; Originaltext: Angela Wenzik, Forschungszentrum Jülich.