Forscher ordnen Nanopartikel wie „Riesen‐Atome“ an

Wissenschaftler des INM - Leibniz Institut für Neue Materialien haben herausgefunden, dass sich bestimmte Nanopartikel zu Gruppen anordnen, als wären sie Atome. Wie die Atome von Metallen oder Edelgasen bilden sie dabei je nach Anzahl ganz bestimmte Formen. Durch ihren Fund können die Forscher jetzt genau definierte Gebilde aus Nanopartikeln herstellen. Normalerweise bilden Nanopartikel eher ungeordnete, oft ziemlich lockere, fusselige Klumpen. Die Forscher gehen davon aus, dass dieses unerwartete Verhalten von der Kleinheit der Nanoteilchen herrührt: „Wir nehmen an, dass sich Nanoteilchen mit einer Größe von nur 6 nm ähnlich verhalten, wie Atome: Sie bewegen sich schnell, stoßen aneinander und ziehen sich an", erklärt Tobias Kraus, Leiter des Programmbereichs Strukturbildung auf kleinen Skalen. Deshalb könnten sie sich auch beinahe so ordentlich anordnen wie Atome.

Je nach Anzahl der Nanoteilchen können die Wissenschaftler nun voraussagen, welches dreidimensionale Gerüst die Partikel ausbilden. „Stellen Sie sich vor, dass solche Ansammlungen, sog. Cluster, mit 20 Teilchen wie eine Kugel aussehen, während 40 Teilchen sich eher wie ein Würfel anordnen und 60 Teilchen wie eine Pyramide", erklärt der Materialwissenschaftler und Chemie‐Ingenieur. So lassen sich gezielt Formen herstellen, indem man die Menge der Nanopartikel vor dem Herstellungsprozess festlegt. „Weil Nanopartikel als Kugel andere Eigenschaften haben, als Nanopartikel in Form eines Würfels, können wir mit der Anzahl der Teilchen gezielt Einfluss auf die Eigenschaften nehmen", sagt Kraus, „Ein eher länglicher Cluster passt beispielsweise durch die Poren eines Filters, obwohl er mehr Partikel enthält als ein kugelförmiger Cluster".

Die Wissenschaftler nutzen ein weit verbreitetes Prinzip, um die Nanopartikel in diese hochgeordnete Struktur zu zwingen. Dazu müssen die  Goldnanopartikel alle gleich groß sein, was mit einem klassischen Verfahren gelingt: Die Forscher lösen kleine Goldbarren in konzentrierter Säure auf, verbinden das gelöste Gold mit organischen Molekülen und fügen oberflächenaktive Substanzen hinzu. Aus diesem Gemisch erhalten sie durch Erhitzen die Nanopartikel in einer Größe von sechs Millionstel Millimeter. Sie schwimmen in Öl, das die Forscher in kleine Tropfen zerteilen. Jeder Tropfen enthält mehrere Nanopartikel. „Wenn diese Tröpfchen verdunsten, bleibt für die Nanoteilchen immer weniger Platz und sie rücken sozusagen geordnet aneinander und bilden die geordneten Cluster aus", fasst Kraus zusammen.

In Zukunft will das Team verschiedene Partikel in die Cluster einbauen, von denen jedes eine andere Aufgabe hat. Damit sei der erste Schritt zu einer mikroskopischen Maschine getan.