Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universit?t Jena und der Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg ist es gelungen, Nanomaterialien kontrolliert in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz herzustellen. Wie sie im Fachjournal ACS Nano berichten, nutzen sie dabei aus, dass Kristalle w?hrend der Kristallisation oft in eine bestimmte Richtung wachsen. Diese so gebildeten Nanostrukturen, die wie ?wurmartige und dekorierte St?bchen“ aussehen, k?nnten in verschiedenen technologischen Anwendungen eingesetzt werden.

?Wurmartige Nanostrukturen“

?Unsere Strukturen k?nnte man als wurmartige St?bchen mit Dekoration bezeichnen“, veranschaulicht Prof. Dr. Felix Schacher das Ergebnis. ?In diese St?bchen eingebettet sind kugelf?rmige Nanopartikel; in unserem Fall war das Silica. Es k?nnten aber statt Silica auch leitf?hige Nanopartikel sein oder Halbleiter – oder aber auch Mischungen, die sich mit unserer Methode in den Nanokristallen gezielt verteilen lassen“, erg?nzt er. Entsprechend weit gef?chert sind die denkbaren Anwendungen in Wissenschaft und Technik; diese reichen von Informationsverarbeitung bis hin zu Katalyseprozessen.

Den Herstellungsprozess verstehen und kontrollieren

?In dieser Arbeit ging es uns aber in erster Linie darum, die Herstellungsmethode als solche zu verstehen“, erkl?rt der Chemiker. Um Nanostrukturen zu erzeugen, so erkl?rt er, gibt es zwei verschiedene Ans?tze: Gr??ere Partikel werden bis auf Nanometergr??e zermahlen – oder die Strukturen werden aus kleineren Bausteinen aufgebaut. ?Diesen Prozess des Aufbauens wollten wir verstehen und kontrollieren“, beschreibt Schacher das Vorgehen. Dazu nutzte das Team einzelne Siliciumdioxid-Partikel, sogenanntes Silica, und brachte dort kettenf?rmige Polymer-Moleküle als eine Art Hülle an.

Gerichtetes Kristallwachstum

?Man kann es sich wie H?rchen auf einer Kugel vorstellen“, erkl?rt der Wissenschaftler. Und er erg?nzt: ?Diese H?rchen bestehen aus einem Material mit dem Namen ?Poly-(Isopropyl-Oxazolin)’. Und dieser Stoff kristallisiert, wenn er erw?rmt wird. Und das ist der Clou an unserer Methode: Kristalle wachsen fast nie in alle Richtungen gleichzeitig, sondern bevorzugen dabei eine Richtung. Das nennt man Anisotropie. Und so konnten wir unsere Nanostrukturen gezielt wachsen lassen.“

Dabei stie? das Team auf ein spannendes Ph?nomen. ?Damit das Polymer kristallisiert, braucht es winzige Mengen davon, die nicht an eine Partikeloberfl?che gebunden sind, sondern sich frei in der Reaktionsl?sung befinden, sozusagen als Kleber. Wir fanden heraus, dass die ben?tigten Mengen sogar so gering sind, dass sie sich kaum nachweisen lassen. Aber es braucht sie“, erg?nzt er.

Starke Kooperation

Besonders begeistert ist Schacher von der einzigartigen Kooperation, die diese Forschungsarbeit erm?glicht hat. ?Ohne die hervorragende Zusammenarbeit mit Prof. Michael Engel von der Universit?t Erlangen w?re diese Arbeit nicht zustande gekommen“, betont der Jenaer Wissenschaftler. ?Mit Hilfe von Computersimulationen, die das Verhalten über mehrere Skalen abbildeten, konnten wir die komplexen molekularen Vorg?nge, die dem Bildungsprozess der Nanostrukturen zugrunde liegen, detailliert aufl?sen. Das war eine spannende Herausforderung“, fügt Engel hinzu. Beide Wissenschaftler resümieren: ?Wir hatten die Gelegenheit, Anfang dieses Jahres gemeinsam an einem Programm des Kavli-Instituts für Theoretische Physik (KITP) an der Universit?t Kalifornien in Santa Barbara teilzunehmen. W?hrend dieses Workshops haben wir dieses Manuskript gemeinsam verfasst. Die zugrundeliegenden Experimente wurden natürlich schon vorher durchgeführt – teilweise im Rahmen des Sonderforschungsbereichs ?CataLight’ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Aber die inspirierende Atmosph?re des Workshops hat uns den n?tigen Schub gegeben, um die Arbeit abzuschlie?en.“