Organic-Inorganic Hybrid Particles through Electrostatic Self-Assembly
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein neues supramolekulares Konzept zur Herstellung komplexer ternärer Nanostrukturen aus organischen und anorganischen Komponenten durch ionische Wechselwirkung in wässriger Lösung etabliert. Dazu wurde die Herstellung supramolekularer Nano-Objekte durch elektrostatische Selbstorganisation mit der elektrostatischen Nanotemplatierung kombiniert. Zentrale Rolle spielt dabei die elektrostatische Wechselwirkung in Kombination mit anderen nicht-kovalenten Wechselwirkung wie π−π-Wechselwirkung und Koordination. Zuerst wurden durch elektrostatische und π−π Wechselwirkung in wässriger Lösung Polyelektrolyt-Farbstoff-Assemblies hergestellt und anschließend oder parallel in diesen supramolekularen Assoziaten anorganische Materialien erzeugt. Als Modellsysteme dienten Polyelektrolyt-Farbstoff-Assoziate, in denen entweder Cadmiumsulfid- oder Gold-Nanostrukturen hergestellt wurden, d.h. das anorganische Material kann sowohl durch eine Kristallisation als auch durch eine Reduktion entstehen. Es ist so möglich, ternäre Gold-Farbstoff-Polyelektrolyt- bzw. CdS-Farbstoff-Polyelektrolyt-Hybridstrukturen direkt in wässriger Lösung herzustellen, die mit enger Größenverteilung in wässriger Lösung stabil sind. Die Größe der supramolekularen Gesamtstrukturen kann dabei im Bereich von 10 bis einigen hundert Nanometern mit enger Größenverteilung eingestellt werden. Die Größe und Anisotropie der CdS- bzw. Au-Partikel ist ebenfalls variierbar. Ein wichtiger Schlüssel zur Strukturkontrolle ist dabei die Wahl und Abfolge der Selbstorganisationsschritte. Weitere Schrauben sind die Ladungsverhältnisse der Komponenten, der pH-Wert (welcher ebenfalls den Ladungszustand kontrolliert) sowie im Fall der Edelmetallpartikel- Herstellung das Reduktionsmittel. So konnten wir den einfachen Zugang zu vielseitigen supramolekularen Strukturen aufzeigen, die durch Selbstorganisation mit einem kleinen Bestand an Bausteinen erhalten werden. Während die gebildeten Strukturen im Nachhinein verstehbar sind, erwies sich das komplexe Zusammenspiel der Wechselwirkungseffekte bisher allerdings als zu komplex, um eine entstehende ternäre Hybridstruktur experimentfrei exakt vorhersagen zu können. Das ist in Anbetracht der Komplexität auch einfacher Polyelektrolyt-Gegenionen-Systeme - für die es trotz jahrzehntelanger Studien immer noch vieldiskutierte Effekte gibt - einerseits und die Vielzahl der sich überlagernder Effekte im hier untersuchten Mehrkomponentensystem andererseits für ein erst neu etabliertes System allerdings auch nicht unbedingt überraschend. Vor dem Hintergrund der Modellstudien konnte aber ein grundsätzliches Verständnis der strukturdirigierenden Faktoren, insbesondere der Abfolge der eingesetzten Selbstorganisationsprinzipien und der Ladungsverhältnisse entwickelt werden. Während Gold und Cadmiumsulfid hier als Modellsysteme dienten, um einen grundlegenden Einblick in strukturlenkende Effekte zu erhalten, ist das Konzept, das auf ionischer Wechselwirkung beruht, ein allgemeines und kann breit angewendet werden So wurde z.B. auch die Herstellung von Ag-dotiertem CdS und von MoS3 in linearen Polyelektrolyten demonstriert. Besonders vielversprechend sind die über die Strukturherstellung hinaus aufgezeigten möglichen Funktionen: die Strukturschaltung mittels Licht-Bestrahlung und die Optimierung der photokatalytischen Aktivität der anorganischen Nanopartikel im ternären Hybridsystem. Die Vielseitigkeit des Ansatzes könnte den Weg zu neuen funktionellen Materialien aus hybriden Nanopartikeln und Farbstoffen mit möglichen Anwendungen in den Bereichen Optoelektronik, Katalyse und Phototherapie eröffnen.
Publications
- “Formation of CdS in Supramolecular Dendrimer-Dye Assemblies: Electrostatic and Electrostatic-Coordination Templating”, Macromolecules 2015, 48, 8399
J. Düring, B. Butz, E. Spiecker, F. Gröhn
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.macromol.5b01165) - “Filamentous supramolecular structures with polyelectrolyte and cadmium sulfide”, Soft Matter 2016, 12, 1868
J. Düring, F. Gröhn
(See online at https://doi.org/10.1039/C5SM02840J) - “Dendrimer – Dye Assemblies as Templates for the Formation of Gold Nanostructures”, Macromolecules 2017, 50, 6998
J. Düring, W. Alex, A. Zika, R. Branscheid, E. Spiecker, F. Gröhn
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b00752) - “Self-assembled hybrid organic MoS3-nanoparticle catalyst for light energy conversion”, Nanoscale, 2020, 12, 22952
A. Krieger, M. Wagner, S. Haschke, C. Kröckel, J. Bachmann, F. Hauke,, A. Hirsch, F. Gröhn
(See online at https://doi.org/10.1039/D0NR04820H)
