Nanopartikel gezielt in Mikroemulsionen gezüchtet

Chemie
22.04.08   von  
Die Eigenschaften von Nanopartikeln hängen von ihren Maßen und ihrer Gestalt ab. Wie sich diese gezielt beeinflussen lassen, haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg untersucht - und zwar an Bariumsulfat-Teilchen in einer Mikroemulsion. Nanopartikel gezielt in Mikroemulsionen gezüchtet <% image name="MPG_Nanopartikel" %><p> <small> Die sechseckigen, rund 36 Nanometer messenden Bariumsulfat-Partikel entstehen, wenn die Forscher 2 Mikroemulsionen mischen, die jeweils einen Ausgangsstoff enthalten - und zwar den einen 20 x höher konzentriert als den anderen. &copy; Max-Planck-Institut </small> <table> <td width="120"></td><td><small> Strahlend weiß, chemisch kaum angreifbar, in Wasser unlöslich und durchlässig für Röntgenstrahlen - das sind die Merkmale, denen Partikel aus Bariumsulfat viele Anwendungen verdanken: In Farben und Tinten, als Füllstoff in Polymeren sowie als Kontrastmittel. Um die Eigenschaften des Materials besser beeinflussen zu können, gilt es, gezielt Partikel bestimmter Größe und Form zu produzieren. </small></td> </table> <b>Tröpfchen als Nanoreaktoren.</b> Nanopartikel lassen sich auf vielfältige Weise herstellen - durch Abscheiden von Dampf, Ätzen oder Mahlen etwa. Oft ist das sehr aufwendig, viele Verfahren liefern keine Teilchen einheitlicher Größe und sie eignen sich immer nur für bestimmte Substanzen. Die Magdeburger Prozessingenieure haben sich nun einem weiteren Verfahren gewidmet, um Nanopartikel maßzuschneidern, die wie Bariumsulfat-Teilchen in Lösungen entstehen. "Wir nutzen die Tröpfchen einer Mikroemulsion als Nanoreaktoren", erklärt Max-Planck-Forscher Kai Sundmacher. Emulsionen sind Mischungen von Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen - die eine Flüssigkeit bildet daher Tröpfchen, die in der anderen schweben. Allmählich trennen sie sich jedoch, weshalb sich in unbehandelter Milch der Rahm absetzt. Emulgatoren oder Tenside, deren eines Ende im Wasser und deren anderes Ende in Fett löslich ist, verhindern das. Sie legen sich um die Tröpfchen und halten sie in der Schwebe. Mit solchen Tensiden haben die Wissenschaftler 2 Emulsionen mit den Ausgangsstoffen für Bariumsulfat angerichtet: Bariumchlorid und Kaliumsulfat. Diese Salze sind jeweils als wässrige Lösungen in Tröpfchen verpackt, die in der wasserabstoßenden Flüssigkeit Cyclohexan schweben. Die eine Emulsion leiten die Forscher nun rasch in die andere. Die Tröpfchen mit den unterschiedlichen Frachten schließen sich dann kurzzeitig zusammen, sodass Bariumchlorid und Kaliumsulfatlösungen miteinander in Kontakt kommen. Sofort bilden sich winzige Kristalle des wasserunlöslichen Bariumsulfats, die allmählich wachsen - solange bis sie die Tröpfchen ganz ausfüllen. <b>Die Grenzen des Wachstums.</b> Die Größe der Tröpfchen setzt dem Wachstum der Mikropartikel also eine Grenze: Weil die Tröpfchen nur 6 Nanometer messen, werden auch die Bariumsulfatkristalle nicht größer - zunächst. Endgültig wird das Wachstum gestoppt, wenn die Forscher Emulsionen miteinander vermengen, welche die Ausgangsstoffe in jeweils gleicher Konzentration enthalten. Unterscheiden sich die Konzentrationen in den beiden Emulsionen, wachsen die Nanopartikel weiter: Bis sie rund 16 Nanometer groß sind, wenn die Forscher einen Ausgangsstoff zehnfach konzentrierter einsetzen als den anderen, und sogar bis zu etwa 36 Nanometer bei einem 20fachen Konzentrationsunterschied. Warum der Überschuss eines Salzes wachstumsfördernd auf die Bariumsulfatpartikel wirkt, ist noch nicht völlig geklärt. Offenbar verringert er die Löslichkeit des Tensids. Dann wiederum wirkt das Tensid nicht mehr so effektiv dem Streben der Wassertröpfchen, sich zu vereinigen, entgegen. Es bilden sich größere Tröpfchen, in denen sich auch die Bariumsulfatkristalle zu größeren Partikeln zusammenschließen. Bei Bedarf können die Forscher mithilfe der Mikroemulsionen auch Mischungen von Partikeln zweier Größen und Formen herstellen: Mit unterschiedlich stark konzentrierten Ausgangsstoffen züchten sie erst größere Partikel. Anschließend leiten sie in dasselbe Reaktionsgemisch eine Emulsion, die das Defizit des geringer konzentrierten Stoffes ausgleicht - jetzt entstehen kleinere Teilchen. Die Partikel unterschiedlicher Größe lassen sich zwar auch gesondert produzieren und anschließend mischen. Dann allerdings müssen Partikel aus 2 Reaktionslösungen abgetrennt und gereinigt werden - was großtechnisch aufwendig wäre. Die Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Substanzen übertragen. <small> Björn Niemann, Peter Veit und Kai Sundmacher: Nanoparticle Precipitation in Reverse Microemulsions; Particle Formation Dynamics and Tailoring of Particle Size Distributions. Langmuir, 15. April 2008; DOI: 10.1021/1a703566v </small>