Agglomeration und Anordnung von Nanopartikeln in eingeschränkter Geometrie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Binäre Suprapartikel können verwendet werden, um Eigenschaften verschiedener Nanopartikel wie Plasmonenresonanz, Superparamagnetismus oder Fluoreszenz in einer Einheit zu verbinden. Sie führen so zu einer neuen Klasse von Hybridmaterialen. Durch die gezielte Steuerung der internen Struktur der Suprapartikel wird es möglich, von der einfachen Kombination verschiedener Partikel zu gezielter Wechselwirkung zwischen ihnen fortzuschreiten. In diesem Projekt wurden Mechanismen und Methoden zur Steuerung der Partikelanordnung im Suprapartikel erforscht. Dank der (zum Patent angemeldeten) Ergebnisse ist es nun möglich, die Struktur durch Wahl von Tensid oder Druck zu steuern. Wir konnten zeigen, dass Dispersionen mit zwei unterschiedlichen Nanopartikeln sich mit Hilfe von Emulsionen zu geordneten Suprapartikeln anordnet können. Die Struktur dieser Suprapartikel konnte durch die Wahl der Herstellungsbedingungen als amorph, kristallin oder phasensepariert eingestellt werden. Es hat sich gezeigt, dass die stabilisierenden Tenside in der Emulsion einen unerwartet großen Einfluss auf die Anordnung haben. Bei unseren Versuchen haben wir zum ersten Mal festgestellt, dass die Anordnung von Suprapartikeln in Emulsionen vom Druck beeinflusst wird. Bereits kleine Druckveränderungen im Bereich weniger bar hatten erheblichen Einfluss auf die Struktur von Suprapartikeln aus Partikeln unterschiedlicher Kerndurchmesser gleichen Materials. Der Einfluss ist überraschend stark, denn die Kompressibilität der beteiligten Flüssigkeiten ist minimal. Detaillierte Untersuchungen zeigten, dass der Druck die Stabilität der Partikeldispersionen verändert. Es ist anzunehmen, dass die druckabhängige Stabilität von sterisch stabilisierten Nanopartikeln von der Wechselwirkung zwischen Lösemittel und Ligand herrührt. Denkbar ist, dass die die Druckerhöhung zu einer Veränderung der Lösemittelstruktur in der Ligandenhülle führt, entweder durch einen größeren Wasseranteil im dispersen Öl oder direkt durch die (wenn auch geringe) Kompression. Die Solvatisierung der Partikel wird so verändert, uns sie dominiert die Stabilität der Partikel. Durch Kleinwinkelstreuung direkt an Emulsionen mit sich bildenden Suprapartikeln konnten wir zeigen, dass abhängig vom Druck unterschiedliche Abfolgen bei der Strukturbildung zu den verschiedenen Suprapartikel-Typen führen. Experimente mit Nanopartikeln unterschiedlicher Kernmaterialien ergaben ein noch komplexeres Verhalten. In solchen Suprapartikeln wirkten sich nicht nur der Druck, sondern auch die genaue Wahl des Lösemittels (Länge der Alkankette) auf die Struktur aus. Weitere Untersuchungen mit genauen Messungen der Interaktionspotentiale als Funktion von Lösemittel und Druck sind notwendig, um diese Zusammenhänge aufzuklären und schließlich ebenfalls zur Steuerung der Suprapartikel-Strukturen einsetzen zu können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2016). Pressure-controlled formation of crystalline, Janus, and core–shell supraparticles. Nanoscale, 8(27), 13377-13384
Kister, T., Mravlak, M., Schilling, T., & Kraus, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c6nr01940d) - (2016). Structure diagram of binary Lennard-Jones clusters. The Journal of chemical physics, 145(2), 024302
Mravlak, M., Kister, T., Kraus, T., & Schilling, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4954938) - (2018). Ligand-Dependent Nanoparticle Assembly and Its Impact on the Printing of Transparent Electrodes. ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 7, 6079-6083
Kister, T., Maurer, J. H., González-García, L., & Kraus, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsami.7b18579)
