Wie werden Nanomaterialien hergestellt?

Für die Synthese von Nanomaterialien stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Zum einen die top-down-Technik und zum anderen die bottom-up-Technik.

Top-down-Technik

Durch Mahlen, Ätzen oder einer anderen mechanischen Bearbeitung werden größere Stücke eines Stoffes zu nanoskaligen Strukturen verarbeitet. Diese Vorgehensweise ist insbesondere in der Physik, der physikalischen Technik, der Elektronik (kleine Transistoren und Leiterbahnen auf Computerchips) sowie bei medizinischen und biologischen Analyseverfahren (Biochips) verbreitet.

Bottom-Up-Technik

Bei dieser Technik wird die Struktur von Nanopartikeln aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen synthetisiert. Die Bottom-Up-Technik wird insbesondere in der Chemie und der Biologie verwendet.

Bei der Synthese wird entweder das sog. „self assembly“ (die Atome bzw. Moleküle ordnen sich eigenständig in einer bestimmten Struktur an) verwendet oder den Atomen bzw. Moleküle werden im sog. „positional assembly“ die einzelnen Positionen von außen vorgegeben. „Self assembly“ kann z.B. bei Kohlenstoffatomen beobachtet werden, die sich zu Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes, CNT) arrangieren. „Positional assembly“ ist dagegen sehr aufwendig, weshalb es noch nicht industriell eingesetzt wird.

Sol-Gel-Verfahren

Beim Sol-Gel-Verfahren wird ein nanoskaliger Stoff in einem anderen Stoff gleichmäßig verteilt. Durch Erhitzen oder indem ein Katalysator hinzugefügt wird, wachsen die Partikel bis zu einer kritischen Größe. Mit speziellen chemischen Eingriffen kann das Wachstum in bestimmten Phasen gestoppt werden. Die entstandenen Partikel besitzen eine definierte Größe, deren Oberfläche weiter chemisch verändert werden kann. Hierdurch kann z.B. ein Schutz vor Verklumpung entstehen oder es können bestimmte Löslichkeitseigenschaften hergestellt werden. Indem anschließend ein Teil des Lösungsmittels entfernt wird, entsteht ein Gel, in welchem alle Nanoteilchen miteinander verbunden sind. Diese Gele besitzen andere Eigenschaften als die einzelnen Nanoteilchen. Beispielsweise können sie elektrischen Strom leiten.

Gasphasensynthese

Gas, Flüssigkeiten oder Feststoffe werden als Ausgangsstoffe in einen Gasstrom eingebracht und durch eine heiße Zone geführt. Flüssigkeiten werden hierfür zu Tröpfchen und Feststoffe zu Partikeln verdampft bzw. zerstäubt.

An die entstehenden Primärpartikel lagern sich weitere Atome und Moleküle an, wodurch die Primärpartikel zu Vorläuferteilchen heranwachsen. Schließlich bilden sich aus mehreren Vorläuferteilchen die Nanomaterialien.

Vorteile gegenüber dem Sol-Gel-Verfahren können in der reineren Partikeloberfläche liegen. Zudem entstehen fast keine Nebenprodukte. Reaktionsbedingungen wie z.B. Druck, Temperatur und Verweilzeit können in der heißen Zone sehr gut kontrolliert werden. Dadurch lassen sich Größe und Gestalt der Partikel genau festlegen. Es besteht die Möglichkeit, während der Synthese die Teilchengröße zu messen und Nanopartikel mit der gewünschten Größe auszusortieren.

Stand: 11. März 2016 - 9:54 Uhr

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