Charakterisierung von Nanopartikel-Assemblies

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Universität Hamburg

Assoziationsmechanismus

Der Bildungsmechanismus der Nanopartikel-Aggregate ist bisher lediglich in grundlegenden Zügen verstanden. Die stabilisierende Polymerschicht besteht aus Polyethylenglykolketten, deren Enden an der Oberfläche der Nanopartikel verankert sind. Dabei besitzen die Ankergruppen eine gewisse Mobilität, sodass sie ihre Position auf der Oberfläche verändern können. Nähern sich zwei Nanopartikel, so werden durch die anziehenden Wechselwirkungen zwischen den Nanopartikeln die Polymere zwischen den Nanopartikeln „herausgedrückt“. Dadurch können sich die Nanopartikel unter Energiegewinn weiter annähern. Gleichzeitig wird durch die herausgedrückten Polymere die Belegungsdichte an der Oberfläche des Aggregates erhöht, sodass eine weitere Aggregation unterbleibt.

Nach dieser Hypothese müssten die Nanopartikel in den Assoziaten sehr geringe Abstände aufweisen. Zur Überprüfung dieses Strukturmerkmals auf der Angström- bis Nanometerskala bedarf es hochauflösender TEM-Verfahren (HRTEM). Eine entsprechende Aufnahme ist in Abbildung 5 gezeigt. In den Ausschnittsvergrößerungen ist deutlich zu erkennen, dass benachbarte Nanopartikel viel kleinere Abstände aufweisen als isolierte Nanopartikel, ein deutliches Indiz, dass die Ketten herausgedrückt wurden und eine Bestätigung des vorgeschlagenen Bildungsmechanismus.

Dieses Untersuchungsbeispiel an assoziierten Nanopartikeln zeigt, wie komplex die sich bildenden Strukturen sein können. Es zeigt aber auch, dass mittlerweile durch die Zugänglichkeit einer Reihe von mittlerweile ausgereiften und in vielen Labors etablierten strukturanalytischen Verfahren auch sehr komplexe Fragestellungen aufgeklärt werden können. Insbesondere mussten im vorliegenden Fall Strukturmerkmale auf der Skala von Angström (s. Abb. 5) bis Mikrometern (s. Abb. 4) charakterisiert werden. Gegenwärtige Weiterentwicklungen im Bereich der Nanowissenschaften betreffen z.B. die elementanalytische Charakterisierung von Materialien mittels höchstauflösender Elektronenmikroskopie (EDX, EELS), die Verbesserung der Auflösungsgrenze Fluoreszenzmikroskopischer Verfahren bis zu 10 nm (STED-Mikroskopie), und Raster-Röntgenbeugungsverfahren mit Mikrostrahlen an Synchrotron-Strahlungsquellen, um lokale Strukturinformation heterogener Materialien zu erhalten.

*Prof. Dr. S. Förster, Institut für Physikalische Chemie, Universität Hamburg, 20145 Hamburg

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