News: Nanopartikel im Nu
Warum sich mit aufwändigen Verfahren abmühen, um mühselig ein paar Nanometer große Partikelchen herzustellen, wenn es doch so einfach geht?
© (Ausschnitt)
Sie sind klein, winzig klein, mehr als tausend von ihnen würden nebeneinander gelegt gerade mal eine Haaresbreite überspannen: Nanopartikel bereiten Forschern schon seit einigen Jahren viel Freude, überraschen sie doch wie ihre vielfältigen Kollegen aus dem Nanokosmos durch zahlreiche unerwartete Eigenschaften. Pulver aus Nanopartikel sind deshalb auch die Basis neuartiger Materialien, wie besonderer keramischer Werkstoffe, Farbstoffe, Katalysatoren oder elektronischer Bauelemente sowie magnetischer Beschichtungen zur Datenspeicherung.
Einzig die Herstellung der winzigen Tausendsassa ist mitunter kompliziert und langwierig. Dabei kann doch Nanotechnologie so einfach sein. Zumindest bewiesen das nun Lon Porter und seine Kollegen von der Purdue University im amerikanischen West Lafayette. Alles, was die Forscher für ihre Nanozucht benötigten, war ein Becherglas, verdünnte Metallsalzlösung, das Substrat, auf dem die Winzlinge aufgebracht werden sollten, und eine gute Stunde Zeit – je nachdem, wie viele Nanopartikel gebraucht wurden. Das Geheimnis der Herstellung beschreibt Porter lapidar wie folgt: "Man tauche den Halbleiter in die Lösung und warte."
Den Rest schafft die Natur von allein in einem Prozess der galvanischen Abscheidung. So wird die Oberfläche eines Halbleiters – beispielsweise Galliumarsenid – in der wässrigen Lösung oxidiert und langsam aufgelöst. Die dabei frei werdenden Elektronen wandern dann zu den Kationen des jeweiligen gelösten Metallsalzes und reduzieren diese, sodass sich das neutrale Metall auf der Oberfläche abscheidet. Und das passiert nun offenbar bevorzugt dort, wo sich schon andere Metallatome niedergelassen haben. Jedenfalls bilden die Metalle winzige Klümpchen auf der Oberfläche, eben jene Nanopartikel.
Das Schöne an der denkbar einfachen Methode ist, dass sich durch die Konzentration der Lösung und die Dauer des Prozesses leicht die Schichtdicke der Nanopartikel, die Partikelgröße und die Rauigkeit der Oberfläche bestimmen lässt. Indem ein Teil des Halbleiters mit herkömmlichen lithographischen Methoden abgedeckt wird, lassen sich die Nanopartikel auch zu beliebigen Strukturen anordnen. Mit einem Stempel konnten die Forscher außerdem wie mit einem Sigel ein Muster in die Schicht aus Nanopartikeln drücken. Überdies demonstrierten Porter und sein Team, wie sich die Spitze eines Rasterkraftmikroskops wie ein Füllfederhalter verwenden lässt. Zuvor in die Lösung getaucht, konnten die Forscher mit der Spitze Linien aus Nanopartikeln schreiben.
"Obwohl man mit einer Lösung anfängt, die kaum das Kleingeld im Portemonnaie wert ist, lassen sich so Schichten aus Gold-Nanopartikel herstellen, deren Reinheit einem Goldbarren entspricht", erzählt Porter. Und nicht nur Gold-Partikel lassen sich abscheiden, auch Palladium und Platin verwendeten die Forscher genauso erfolgreich.
Doch wozu kann man nun die Partikelchen nutzen? Die Wissenschaftler meinen, dass sich in den Ecken und Winkeln der Oberfläche besonders gut organische Moleküle einfangen ließen. "Wenn dann eine chemische Reaktion mit diesen Molekülen abläuft, findet eine kleine, aber messbare elektrische Veränderung statt", weiß der Wissenschaftler. "Nanopartikel könnten so die Brücke schlagen, die wir brauchen, um eine Computerschnittstelle zur biologischen Welt herzustellen."
Einzig die Herstellung der winzigen Tausendsassa ist mitunter kompliziert und langwierig. Dabei kann doch Nanotechnologie so einfach sein. Zumindest bewiesen das nun Lon Porter und seine Kollegen von der Purdue University im amerikanischen West Lafayette. Alles, was die Forscher für ihre Nanozucht benötigten, war ein Becherglas, verdünnte Metallsalzlösung, das Substrat, auf dem die Winzlinge aufgebracht werden sollten, und eine gute Stunde Zeit – je nachdem, wie viele Nanopartikel gebraucht wurden. Das Geheimnis der Herstellung beschreibt Porter lapidar wie folgt: "Man tauche den Halbleiter in die Lösung und warte."
Den Rest schafft die Natur von allein in einem Prozess der galvanischen Abscheidung. So wird die Oberfläche eines Halbleiters – beispielsweise Galliumarsenid – in der wässrigen Lösung oxidiert und langsam aufgelöst. Die dabei frei werdenden Elektronen wandern dann zu den Kationen des jeweiligen gelösten Metallsalzes und reduzieren diese, sodass sich das neutrale Metall auf der Oberfläche abscheidet. Und das passiert nun offenbar bevorzugt dort, wo sich schon andere Metallatome niedergelassen haben. Jedenfalls bilden die Metalle winzige Klümpchen auf der Oberfläche, eben jene Nanopartikel.
Das Schöne an der denkbar einfachen Methode ist, dass sich durch die Konzentration der Lösung und die Dauer des Prozesses leicht die Schichtdicke der Nanopartikel, die Partikelgröße und die Rauigkeit der Oberfläche bestimmen lässt. Indem ein Teil des Halbleiters mit herkömmlichen lithographischen Methoden abgedeckt wird, lassen sich die Nanopartikel auch zu beliebigen Strukturen anordnen. Mit einem Stempel konnten die Forscher außerdem wie mit einem Sigel ein Muster in die Schicht aus Nanopartikeln drücken. Überdies demonstrierten Porter und sein Team, wie sich die Spitze eines Rasterkraftmikroskops wie ein Füllfederhalter verwenden lässt. Zuvor in die Lösung getaucht, konnten die Forscher mit der Spitze Linien aus Nanopartikeln schreiben.
"Obwohl man mit einer Lösung anfängt, die kaum das Kleingeld im Portemonnaie wert ist, lassen sich so Schichten aus Gold-Nanopartikel herstellen, deren Reinheit einem Goldbarren entspricht", erzählt Porter. Und nicht nur Gold-Partikel lassen sich abscheiden, auch Palladium und Platin verwendeten die Forscher genauso erfolgreich.
Doch wozu kann man nun die Partikelchen nutzen? Die Wissenschaftler meinen, dass sich in den Ecken und Winkeln der Oberfläche besonders gut organische Moleküle einfangen ließen. "Wenn dann eine chemische Reaktion mit diesen Molekülen abläuft, findet eine kleine, aber messbare elektrische Veränderung statt", weiß der Wissenschaftler. "Nanopartikel könnten so die Brücke schlagen, die wir brauchen, um eine Computerschnittstelle zur biologischen Welt herzustellen."
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