Neues Modell: Gezielte Züchtung von Nanopartikeln

12.02.2013

Foto: Magnetit-Nanopartikel

Wenn sich Magnetit-Nanoteilchen aus einer Lösung von Eisensalzen bilden, lagern sich an einen Kern Primärpar-
tikel (Pfeile) an; © Nature Materials

Forscher des Max-Planck-Instituts haben in einer Studie an Magnetit-Nanopartikeln ein Modell entwickelt, wie sich abhängig von den physikalischen Eigenschaften kristalline Teilchen eines Materials bilden.

Nanopartikel aus Magnetit finden unter anderem als Kontrastmittel für Kernspin-Untersuchungen Verwendung. Zu verstehen, wie sie wachsen, könnte helfen, Nanopartikel mit gewünschten Eigenschaften gezielt zu züchten. Anhand ihrer Beobachtungen an Magnetit-Nanoteilchen haben die Forscher vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung nun die etablierte Theorie erweitert, wie aus einer Lösung Kristalle eines Materials entstehen.

In der übersättigten Lösung eines Materials ballen sich zunächst spontan einige Atome und Moleküle zu einem Keim zusammen, der dann weiter wächst. Der klassischen Vorstellung des Kristallwachstums zufolge fängt der Keim gelöste Atome oder Moleküle ein. Dabei kann entweder unmittelbar ein perfekt geordneter Kristall oder erst ein amorphes, also unordentliches Konglomerat entstehen, das sich dann zu einem Kristall umstrukturiert.

„In den vergangenen Jahren gab es immer mehr Hinweise, dass zahlreiche Mineralien nicht nach diesem Modell wachsen“, sagt Damien Faivre, Leiter der Forschungsgruppe. „Sie lagern bei ihrer Entstehung offenbar nicht einzelne Atome oder Moleküle, sondern Primärpartikel an, die bis zu wenigen Nanometern groß sind und sich nur vorübergehend bilden.“ Auch Magnetit-Nanopartikel wachsen, indem sie nur zwei Nanometer kleine Primärpartikel aufnehmen.

„Ob aus den kleinen Nanopartikeln direkt größere Nanokristalle entstehen oder ob sie zunächst auch ein ungeordnetes Teilchen formen, lässt sich anhand des klassischen Modells nicht entscheiden“, sagt Damien Faivre. Doch wer Nanopartikel gezielt züchten will, muss diese Frage beantworten können. Daher entwickelten er und seine Kollegen ein neues Modell, das die Primärpartikel berücksichtigt.

In dem neuen Modell wird die Stabilität der Nanopartikel zu einem wichtigen Faktor. So wichtig, dass er eine Vorhersage des klassischen Modells sogar ins Gegenteil verkehren kann. „Je stabiler die Primärpartikel sind, desto wahrscheinlicher bildet sich direkt eine kristalline Struktur“, erklärt Faivre. „In manchen Fällen, in denen dem klassischen Modell zufolge erst eine ungeordnete Struktur entstehen soll, ergibt unser Modell, dass sich direkt ein Kristall bildet.“ Genau das ist beim Magnetit der Fall.

Von dem Einblick in die Kinderstube der Nanopartikel bis zu einer Anleitung, um ihr Wachstum gezielt zu steuern, müssen die Forscher jedoch noch zahlreiche offene Fragen klären. „Im nächsten Schritt werden wir die Primärpartikel und ihre Eigenschaften genauer untersuchen“, sagt Faivre. Wenn die Forscher nämlich die Stabilität der Teilchen, die sich ein wachsendes Nanoteilchen einverleibt, kontrollieren können, bietet sich ihnen auch eine Möglichkeit, die Eigenschaften des Nanopartikels zu beeinflussen.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Gesellschaft