Hochgeordnete Nanokanäle

Kristalle sind hochgeordnete Strukturen, die von alleine entstehen können. Ähnlich wachsen und verbinden sich auch winzig kleine Silikat-Röhren, die für viele Anwendungen in der Nanotechnologie eine wichtige Rolle spielen. Die einzelnen Röhren besitzen nur einen Durchmesser von rund 3 Nanometern.  Wissenschaftler des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie diesen Strukturen trotz ihrer Kleinheit direkt beim Wachsen zusehen können (Nature Nanotechnoloy, Online 10. Januar 2011).

Die Arbeitsgruppen von Professor Christoph Bräuchle und Professor Jens Michaelis (beide Department für Chemie der LMU München) setzen für die Untersuchung längliche, fluoreszierende Farbstoffmoleküle ein, die sich der Länge nach in die Nanokanäle einlagern. Durch Polarisationsfluoreszenzmikroskopie mit Hilfe eines speziellen konfokalen Laserscanning-Mikroskops können die Wissenschaftler die Orientierung der Farbstoffmoleküle erkennen und von dieser direkt auf die Ausrichtung der Silikat-Röhren schließen. Die Größe solcher orientierter Bereiche (in den Achsen x,y) und ihre Stapelung (in z) konnte zusätzlich mit einem Rasterkraftmikroskop ermittelt werden.

Besonders interessant ist jedoch, dass die Experimentatoren direkt zusehen konnten, wie schnell sich neue Kanäle bilden und wie sich die Struktur erweitert, sozusagen in Echtzeit. Dabei beobachteten sie, dass Temperatur und Feuchtigkeit großen Einfluss auf das Wachstum ausüben. Während sich beispielsweise bei 35°C innerhalb von Minuten Domänen von einigen Mikrometern Ausmaß bildeten, wuchsen die Strukturen bei 25°C langsam, aber stetig über Stunden und es entstanden bisher einmalig große Flächen mit bis zu 0,3 Millimetern Länge.

Dank dieser Echtzeit-Methode konnten die Wissenschaftler außerdem die Schritte vom Ausgangszustand, einer so genannten lamellaren Struktur aus zweidimensionalen Schichten aus Silikat, bis zu den dreidimensional angeordneten Silikat-Nanokanälen in einer so genannten hexagonalen Struktur beobachten. Dabei erkannten sie, dass diese Umstrukturierung überall dort startet, wo die hexagonale Kanalstruktur auf bereits bestehende lamellare Bereiche trifft, die sich dann schlagartig umwandeln.

Nanokanal-Strukturen in dieser erstmals erreichten Größenordnung sind für zahlreiche potentielle Anwendungen interessant. So lassen sie sich möglicherweise in der Medizin mit Wirkstoffen versehen als Implantate einsetzen. Ähnlich einem Sieb könnten sie im Labor komplexe Molekülgemische auftrennen oder als Katalysatoren chemische Reaktionen ermöglichen. Durch die Einlagerung bestimmter Moleküle in die Nanokanäle entstehen spezielle optische Effekte, die für den Einsatz in der Nanooptik von Nutzen sind. (NIM)

Publikation:

Visualization of the self-assembly of silica nanochannels reveals growth mechanism.

Christophe Jung, Peter Schwaderer, Mark Dethlefsen, Ralf Köhn, Jens Michaelis, Christoph Bräuchle.Nature Nanotechology online: 09. Januar 2011

Ansprechpartner:

Prof. Christoph Bräuchle

Department Chemie

Ludwig-Maximilians-Universität München

Tel: 089-2180-77549

Mail:  Christoph.Braeuchle(at)cup.uni-muenchen.de

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