Nanomaterialien zum Anfassen

Präsentation zum Thema: "Nanomaterialien zum Anfassen"—  Präsentation transkript:

1 Nanomaterialien zum Anfassen
antibakteriell AC V Hauptseminar superparamagnetisch uv - absorbierend Nanomaterialien zum Anfassen elektrisch leitend selbstreinigend

2 Nano Nano (griech.: Nanos = Zwerg)
Ein Milliardstel eines Meters (nm = 10-9m) Teilchen zwischen 1 – 100 nm

3 Nanomaterialien - Nanoobjekte
Nanopartikel (in 3 Dimensionen nanoskalig) Nanofasern (in 2 Dimensionen nanoskalig) Nanoplättchen (in 1 Dimension nanoskalig)

4 Nano - Interdisziplinarität

5 Warum Nano? quantenmechanisch ? klassische Physik
Übergänge zwischen den Eigenschaften von Molekülen und Festkörpern quantenmechanisch ? klassische Physik Bereits die Glasmacher im Mittelalter wussten, dass Glas, das für Kirchenfenster verwendet wurde, durch Beigabe geringer Gold-, Silber- oder Kupferpartikel rot oder auch blau einzufärben möglich war. Hintergründe waren damals noch lange nicht bekannt. Die bahnbrechende Erfindung des Raster-Tunnelmikroskops konnte 1981 die experimentellen Möglichkeiten dafür geschaffen werden Nanomaterialien zu untersuchen Au32 nanocluster hohl, d= 0,9 nm, kein kubisch flächezentrierte Form, Metallisch gelb – rubinrot dAu-Atom= nm Ornungszahl 79; übergangsmetall, elektrische leitfähig Diamagnetisch 10nm goldpartikel absorbieren grün und erscheinen rot Metall Nanocluster Goldcluster aus 55 Atomen ist ein full shell cluster mit 2 schalen einmal 13 und 42 Atom. Das Zentralatom ist mit schalen umgeben. Und zwar von kubisch dichtesten oder hexagonal dichtesten. 76% Oberflächeatome 10n2+2  Ungewöhnliche Eigenschaften von Nano-Objekten  Größenabhängigkeit der Eigenschaften Oberflächeneffekt Größenquantisierungeffekt

6 Oberflächen – Volumen - Verhältnis
1.000 Atomen = Volumen Atome 100 Atome = Volumen Atome 10 Atomen = Volumen 1000 Atome . Kantenlänge Eckatome Kantenatome (ohne Eckatome) Seitenflächenatome (ohne Eckatome) Oberflächenatome Atome im Inneren Bei fortschreitender Verkleinerung eines hypothetischen Würfels wächst der Zahlenwert des Verhältnisses von Würfeloberfläche zu Würfelvolumen stark an. (1 Atomdurchmesser = 0,1 nm) wasserstoff 1,06*10-10 m Eine hohe spezifische Oberfläche besagt, dass sich ein großer Anteil der Atome eines Nanopartikels an der Partikeloberfläche befindet. Der Vergleich der ermittelten Daten der Partikel mit unterschiedlicher Kantenlänge von 100 nm (obere Ende der Skala) des gleichen Materials, 10 nm Partikel und 1 nm Partikeln zeigt, dass zu Beginn 0,006, 0,06 und 0,95 an der Oberfläche liegen. Die Aussage ist: viele Oberflächenatome, die die Eigenschaft der Nanopartikel bestimmen. Dispersion: Anteil der Atome an der Oberfläche N: Gesamtzahl der Atome n: Atome entlang eine Kante (Durchmesser) Da Oberflächenatome nur zum Partikelinneren hin mit gleichartigen Nachbarn umgeben sind (koordinativ nicht abgesättigt) haben sie eine energetisch ungünstiger Zustand als partikelinterne Atome. Mit abnehmendem Partikeldurchmesser und höherem Anteil an Oberflchenatomen steigt folglich der Anteil der Oberflächenenergie an der Gesamtenergie von Nanopartikeln. Nanopartikeln haben häufig eine größere Dichte von Kristallgitterdefekten als makrokristalline Materialien. Ursache sind veränderte atomaren Bindungslängen, die mit der Erhöhung der Anzahl der Oberflächenatome einhergehen. 100 nm 8 11.976 10 nm 8 1.176 57.624 58.808 1 nm 8 96 384 488 512 Oberflächen – Volumenverhältnis , , ,953

7 Oberflächeneffekte Koordinationszahlen Bindungsenergie
Koordinationszahl <NN> aufgetragen gegen den inversen Radius (N-1/3) betrachtet man bulk mit hoher Anzahl von Atomen, so erkennt man hohe Koordinationszahl. Dass heißt das Atome im kleinen Partikel mehr an der Oberfläche liegen. Diese haben weniger direkte Nachbarn als die Atome im bulk, und somit eine niedrige Koordinationszahl. Bindungsenergien pro Atom verschiedener Größen von Magnesiumcluster aufgetragen gegen den inversen Radius (N-1/3) Man erkennt die gleiche Abhängigkeit wie bei Koordinationszahlen  man geht davon aus, dass jeder Atomnachbar eine Bindung eingeht und somit zur Bindungsenergie beiträgt. Durch Extrapolation erhält man im Bulk für jedes Atom eine Bindungsenergie von 1,39 eV. Experimtentel (Wie: Schmelzpunkt) nachgewiesen erhält man Wert von 1,51 eV. Die Bindungsenergie wird als durchschnittliche Bindungsenergie betrachtet. Jedoch besitzen die Atome im bulk besitzen eine höhere KZ als diese an der Oberfläche. D.h. sie sind somit stabiler als die Atome an der Oberfläche Die Eckatome sind am wenigsten abgesättigt, gefolgt bei Kantenatome und Oberflächenatome in der Ebene und dann die Atome im inneren des Würfels. Somit besitzen die Eckatome das größte Bestreben Bindungen einzugehen und Moleküle zu absorbieren. Gefolgt von Kante und Obeflächenatome der Ebene. Aufgrund dieses Bestrebens ist es für katalytische Aktivität. ▲: Ikosaeder, ■:Dekaeder, ♦:hexagonal dichteste Kugelpackung Metallcluster: Übergang der Eigenschaften von Festkörper und Atomen, besitzen noch nicht metallische Eigenschaften Alle Eigenschaften, die aufgrund der Oberfläche herrühren ändern sich in Abhängigkeit vom inversen Radius  Koodinatonszahl nimmt mit Partikelradius ab  Bindungsenergie nimmt mit Partikelradius ab  Eigenschaften ändern sich ~ 1/r

8 Schmelzpunkterniedrigung
Anwendung der Oberflächeneffekte: Schmelzpunkterniedrigung  Sintern („co-firing“) Steigerung der chemischen Reaktivität  Einsatz als Katalysator Eck-, Kanten-, Oberflächenatome liegen mit niedrigeren Koordinationszahlen vor. => sie liegen in einem höheren energetischen Zustand vor. Eine Konsequenz davon ist, dass eine niedrigere Stabilität bei diesen Molekülen und Atomen vorliegt, welche sich durch Erniedrigung des Schmelzpunktes auf der Oberflächen-Schicht auswirkt. Auch eine Steigerung der chemische Reaktivität bzw. katalytische Eigenschaft. Dieses Phänomen wurde von W. Thomson 1871 bei Eis entdeckt. Oberflächenatome binden im festen Aggregatzustand mit weniger Bindeenergie, weil sie wenige benachbarte Atome in der nahen Nähe haben, die mit Atomen im Hauptteil des Körpers verglichen wird. Jede Bindung, die ein Atom mit einem benachbarten Atom teilt, liefert Bindeenergie, also haben Atome mit wenigen Bindungen und benachbarte Atome niedrigere Bindeenergie. Die Atome, die oder nahe an der Oberfläche des Nanopartikel gelegen sind, haben die Bindeenergie wegen einer verringerten Anzahl von Bindebindungen verringert. Die Bindeenergie eines Atoms hängt direkt mit der thermischen Energie zusammen, die erfordert wird, um das Atom vom Körper freizugeben. Seit Atomen nahe der Oberfläche haben Sie wenige Bindungen und verringerte Bindeenergie, erfordern sie weniger Energie, vom festen Aggregatzustand freizugeben. Der theoretische Größe-abhängige Schmelzpunkt eines Materials kann durch klassische thermodynamische Analyse errechnet werden. Das Resultat ist die Gibbs-Thomson Relation  Geradengleichung T gegen 1/d Abhängigkeit des Schmelzpunktes von Goldpartikeln mit Partikeldurchmesser Sintern: wichtig für temperaturempfindliche Zweitkomponente (z.B. Verstärkunsfasern) zusammen mit hochschmelzendem Material gesintert Bulk: in Literatur mit °C angegeben

9 Größenquantisierungseffekt
Quantisierung der Energiezustände Bandlücke größenabhängig Metall – Nichtmetal Übergang Beginnt man bei Atomen so verfügen diese über Atomorbitale (2s bei Li) und wenn diese Bindungen eingehen liegen Molekülorbital vor. antibindend (höher als AO) und bindend (niedriger als AO). Bringt man das nächste Atom ein, so kommt es wiederum zur Überlappung und es bilden sich drei MO. Beim vierten, vier MO´s usw. Durch die ganzen entstandenen MO´s kommt es naturlich zur Aufweitung der Energiebereiche. Dabei liegen zu Beginn immer noch diskrete Energienieveaus vor, diese gehen dann zum Schluss in Bänder, dem VB und LB über. Bei einer niedriegeren Atomzahl erkennt man noch eine große Bandlück, die jedoch mit zunehmender Teilchenzahl verschwindet. D.h. Bandlücke größenabhängig. Und man erkennt den Übergang bis nur noch geringe Bandlücke vorliegt. Im Falle einer thermischen Anregung (niedriger Temp) gehen Elektronen über diese Bandlücke und der Nichtleiter wird zum Halbleiter. Nichtmetall: Bandlücke zwischen besetztem und unbesetztem > kT Metall: Bandlücke<kT Durch die Aufspaltung in diskrete Energieniveaus geht die typische Metalleigenschaft, welche auf dem Bändermodell (elektronische Struktur) beruht, bei molekularen Clustern verloren und man erhält Isolatoren. Der Übergang wird als „size induced metal insulator transition“ bezeichnet. Der Metall-Nichtmetall Übergang Bei einem makrokristallinen Halbleiter ist das Valenzband bei 0 K vollständig mit Elektronen gefüllt, während das höhere Energiestufen umfassende Leitungsband leer ist. Die Atom- oder Molekülorbitale sind im Halbleiter zu kontinuierlichen Energiebändern „verschmolzen“. Die Energiedifferenz zwischen Valenz-und Leitungsband wird Bandlücke genannt. Beim Übergang zu Molekülen kommt es zur Vergrößerung der Bandlücke und es kommt zur Diskretisierung des quasikontinuierlichen Energiebandes. Durch Absorption eines Lichtquants kann ein Elektron aus dem Valenzband in einen angeregten Zustand im Leitungsband gehoben werden. Dieses Elektron und das im Valenzband zurückbleibende Loch können sich frei im Halbleiterkristall bewegen, was zu elektrischer Leitfähigkeit führt. Dieses Exiton (=Elektron-Loch-Paar) kann wie beim Wasserstoffatom betachtet werden. Reduziert man ein Dimension, d.h. man hat nur noch zwei Dimensionen, so können sich die Elektronen nur noch in den verbleibenden zwei Dimensionen frei bewegen. Man bezeichnet das als Quantenmulden. Bei einer Begrenzung in zwei Dimensionen können sich die Elektronen nur noch entlang der 3. Dimension frei bewegen. Diese drahtähnliche Struktur (Quantendraht) weist eine Quantisierung der Energie in zwei Richtungen auf. Bei der Begrenzung aller drei Dimensionen in den Bereich kommt es zur Ausbildung diskreter Energieniveaus in dem Teilchen, wie es die Energieabhängigkeit der Zustandsdichte widergespiegelt. Dieser Zustand wird quantenmechanisch (vgl. Wasserstoffatom) auch als »Teilchen im Kasten« oder »Quantum Confinement Effekt« bezeichnet, was eine Erklärung für die Aufspaltung/Quantisierung der Energiebänder ist. Bei Nanopartikeln liegt aufgrund der geringen Teilchengröße eine räumliche Beschränkung des Exzitons vor. Die Ladungsträger »fühlen« die begrenzenden Wände des Nanopartikels, und das Elektronen-Loch-Paar findet nur durch Verringerung des Exitonradius im Nanopartikel Platz. Es kommt dadurch zur Erhöhung der kinetischen Energie. Daraus resultiert die Aufspaltung der Energiebänder in diskrete Eigenwerte und die Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO. Daraus resultiert die größenabhängigkeit der Bandlücke, d.h. mit abnehmender Größe der Teilchen wird die Bandlücke größer Eine Folge ist, dass diese auch als »Quantum Dots« oder »Q-Teilchen« bezeichneten Nanopartikeln, Licht erst bei kürzerer Wellenlänge absorbieren (sog. »Blauverschiebung) Metall-Nichtmetall Übergang:

10 Nano - Leuchtstoffe Farbe der Suspension Lichtemission der Suspension
CdSe - Halbleiternanokristalle weckten in diesem Bereich besonders großes Interesse und wurden im letzten Jahrzehnt intensiv erforscht. Unter Bestrahlung mit UV-Licht fluoreszieren CdSe-Teilchen in Toluol mit einer Wellenlänge, die von der Größe der Teilchen abhängig ist und im sichtbaren Bereich liegt. Es findet Absorption im sichtbaren Bereich statt ( nm Bandlücke 3,1-1,8 eV) Die Körperfarben erscheinen z.B. gelb, da hier bei Partikelgröße aufgrund der Bandlücke eine Absorption im blauen Bereich. Durch Rekombination wird eben Energie abgegeben und in Form von Lichtquanten abgegeben. Unter UV-Licht kann man die Fluoreszenz beobachten. Und man erkennt die Größenabhängigkeit der Bandlücke. Kleiner Partikel Große Bandlücke  Licht großer Enegie  kleine Energie  blauer Bereich (Cd: 5s und Se: 4p) Durch ihre starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich und die einfache Abstimmung der Lumineszenzwellenlänge durch die Größe der Teilchen wird die Verwendung von CdSe-Kristallen als Emitter in LEDs (Light emitting device) erforscht. Marker in Biomolekülen ist Gegenstand der Forschung. Viele Eigenschaften von Nanopartikeln, die für elektronische und optoelektronische Anwendungen genutzt werden, beruhen auf dem Quantum Confinement Effekt. Die Veränderung der Bandlücke mit der Partikelgröße kann für die Emission von Licht unterschiedlicher Wellenlänge ausgenutzt werden. Für Molekularbiologie oder medizinische Diagnostik können die kleinen Nanopartikel in einzelne Zellen eingeschleust werden oder dort angeheftet werden. Durch Lichtanregung können diese aufgrund ihrer charakteristischen Lichtemission erkannt werden  dient als Nachweis und Lokalisierung (Tumormarker d.h. sie reichern sich in Tumorgewebe an) Sicherheitsmarker auf Banknoten oder Ausweisdokumenten Herstellung Licht-emittierender Dioden (LED) basierend auf der Einbettung von CdSe Nanokristallen in eine Polymermatrix Die Lichtemission dieser LEDs ändert sich, wenn Nanopartikeln anderer Größe im Herstellungsprozess verwendet werden. Zudem konnte für eine Partikelgrö ße die Wellenlänge und somit die Farbe des ausgesandten Lichts über die angelegte Spannung verändert werden. Eine Teilchensorte die eine deutlich höhere Stabilität bezüglich der Photolumineszenz aufweist, ist die Core/Shell-Struktur. Die CdSe-Nanokristalle werden hierbei mit einem Material beschichtet, welches eine größere Bandlücke aufweist als die Kerne selbst. Diese anorganische Hülle ist in der Lage Fehlstellen an der Kristalloberfläche zu passivieren und damit stärkere Fluoreszenz zu ermöglichen. Die Photostabilität unter Einfluss von UV-Licht ist durch den starren, anorganischen Aufbau deutlich höher als bei Teilchen, die durch Liganden passiviert sind.  CdS führte zu einer Rotverschiebung des ersten Absorptionspeaks und des Fluoreszenzpeaks Größenabhängige Bandlücke mit Emissionsfarbe Anwendung: Molekuarbiologie, medizinische Diagnostik, Sicherheitsmarker

11 Herstellungsmethoden
Aufgrund der großen Nachfrage, sowie ein großer Forschungsbereich erfordern große Mengen an Nanomaterialien. 80 % der Nanopartikel synthetisch hergestellt. Je nach Einsatzgebiet der Nanopartikel ist eine genau definierte Größenverteilung (Monodispersität), Größe, chemische Zusammensetzung, Kristallinität und Form der Partikel erforderlich. Mit Hilfe bestimmter Syntheseverfahren können gezielt Nanomaterialien hergestellt werden. Man unterscheidet zwei Methoden: Unter „Top-Down“ (von oben nach unten) versteht man im Zusammenhang mit Nanoparikeln die mechanische Zerkleinerung des Ursprungsmaterials mittels eines Mahlprozesses. Hierbei handelt es sich um einen mechanisch-physikalischen Herstellungsprozess. In der „Bottom-Up“ Strategie (von unten nach oben) werden Strukturen ausgehend von Ionen oder Molekülen in Lösung oder Gasphase mittels chemischer Prozesse aufgebaut. Mahlprozesse mit Kugelmühlen (Mahlkörpern) Feste Phasen werden urch Mahlen zerkleinert. Herstellung metallischer und keramischer Nanomaterialien deren Ausgangsstoff mit Hilfe von Kugelmühlen pulverisert. Abrieb der Mahlkörper kann zur Verunreinigung der Partikel führen. relativ breiter Partikelgrößenverteilung. gezielte Partikelgrößenkontrolle ist nicht möglich. Bottom-Up-Methoden (Kondensationsverfahren), erfolgt der Aufbau von kolloidalen Partikeln aus einer Lösung oder der Gasphase durch Zusammenfügen von Molekülen, Ionen oder Atomen. nutzen die physikalisch-chemischen Grundsätze In diesen Herstellungsverfahren werden Strukturen gezielt aus Atomen, Ionen bzw. Molekülen aufgebaut, wodurch die Kontrolle der Partikelgröße und Form sowie der Partikelgrößenverteilung ermöglicht wird. Wichtigsten Synthesen: Aerosolverfahren (Gasphasenprozess): Feste Edukte in Gasphase überführt. Die Nachfolgenden Kondensation entstehen Nanopartiekel Fällungsreaktionen (Flüssigphasenprozess): Chemische Fällung (Ausflockung) Zugabe Fällungsmittel zur Lösung, in welcher Ausgangssubstanzen (Metallsalze) gelöst sind. Bei Fällungsprozessen werden Partikelgröße und -größenverteilung, Kristallinität und Morphologie (Form) durch die Reaktionskinetik (Reaktionsgeschwindigkeit) bestimmt. Reaktionsbedingungen haben ebenfalls Einfluss: Konzentration, Temperatur, pH-Wert; Desweiteren kann Reaktion in Mizellen einer Emulsion (Mikroemulsionverfahren) stattfinden. Bessere Größenkontrolle; Agglomeration wird verhindert. Sol-Gel-Prozesse (Flüssigphasenprozess): (Mikroemulsionverfahren) z.B. Metallchloride oder –alkoxide hydrolysiert und die Produkte kondensieren zu Nanopartikeln. Nach der Bildung der Nanopartikel sollen sie idealerweise fein verteilt für die nachfolgenden Bearbeitung vorliegen. Jedoch kommt es aufgrund der Zwischenmolekularen Kräfte (Dipol-Dipol; Van der Waals WW) zur Agglomeration. Dies kann durch geeignete Oberflächenmodifizierung verhindert werden. Problem: Agglomeration!

12 Problematik: Agglomeration
Oberflächenmodifizierung – agglomeratfreie Stabilisierung: Elektrostatische Stabilisierung Adsorption von Ionen auf Oberfläche Ausbildung elektrischer Doppelschicht Coulomb – Abstoßung Sterische Stabilisierung sterisch anspruchsvolle Schutzhüllenmoleküle Für die Weiterverarbeitung ist eine agglomeratfrei Stabilisierung notwendig. Die Nanopartikel bleiben somit hoch dispers. Ursache: Betrachtet man Ionengitter oder Gitter aus kovalent verknüpften Raumnetzen, so kommen an der Oberfläche liegende Atome koordinativ ungesättigt vor. d.h. sie besitzen „freie Valenzen“, d.h. sie sind koordinativ ungestättigt.  energetisch ungünstige Zustand führt normalerweise zur Minimierung oder es kommt zur sog. Ostwald-Reifung: Das Wachstum der Großen auf Kosten der Kleinen. Oder zur Agglomeration. Zur Absättigung der freien Bindungen  Iodenen oder Moleküle auf der Partikeloberfläche binden. Verhinderung des Wachstums bzw. der Agglomeration. Elektrostatische Agglomeration: Ionen werden auf der Partikeloberfläche absorbiert. Abstoßende Coulombschen-Kräfte zwischen gleich geladenen Teilchen unterdrücken Anziehung. Diese Möglichkeit spielt in wässrigen Systemen eine Lösung. (RO)3Si------NH2 greift mit RO an Sterische Stabilisierung: in organischen Lösungsmittel dominieren sterische Stabilisierung. Es werden ungeladene polymere Moleküle auf der Partikeloberfläche absorbiert oder angebunden. In org. Lösungsmittel gut dispergierbar; unabhängig von Ladung; Durch Annährung der geschützten Kolloide untereinander und das Durchdringen der Schutzhülle, Einschränkung der Beweglichkeit Verlust an Entropie (Th.d. verboten) Lokale Konzentration des Moleküls wird durch osmotische Kraft entgegengesteuert. Alkylamine, langkettige Alkylcarbonsäuren, langkettige Alkylphosphane, Polymere

13 Oberflächenmodifizierung
energetisch ungünstige Zustand der Oberflächenatome  strukturfremde Atome, Atomgruppen, Ionen werden gebunden (Chemiesorption). Metallalkoxid in der Lösung hydrolysiert, welche auch die zu beschichtenden Partikel enthält. Das hydrolysierte Alkoxid bindet dann über seine funktionellen Gruppen (Hydroxyl-Gruppen) an die Partikeloberfläche der Substratpartikel. Über Kondensationsprozesse z.B. anknüpfen and Alkyl, Arylgruppen. Durch Kopplung reaktiver Liganden  nachfolgenden Polymerisation Bifuktionelle Kopplung z.B. Aufbau von Core-shell-Prinzip Durch die Atmosphäre erhält man bereits reaktionsfähige Partner, wie Sauerstoff oder Wasser. Somit liegen unter normalen Bedingungen Oberflächenoxide oder –hydroxide vor. Je nach Anwendungsbereich ist bestimmte Modifizierung erwünscht  Reaktionen mit jeweilige Liganden Maßgeschneiderte Eigenschaften Hydrophopie/Hydrophilie, Polymersation Funktionelle Gruppen: x = Alkyl, Aryl x = Mehrfachbindungen z.B. C=C, C≡N x= -NR2, -COOH, -SH

14 Anwendung: Oberflächenmodifizierung
 Kunststoffe, medizinische Diagnostik Reduktion von Goldsalzen in Gegenwart von Liganden (Natrium der Zitronensäure), die an die Goldoberfläche binden. Tetrachloroaurat(III) in siedendem Wasser (polarer Phase) mit Natriumcitrat zu Gold reduziert. Das Citratanion dient dabei als Reduktionsmittel und Ligand, der durch Coulomb-Wechselwirkung an die Partikeloberfläche gebunden ist. Man überschichtet die wässrige Lösung mit unpolarer Phase (z.B. Dodecan) Zwei Phasen-System Zugabe von Kaliumoleat (Salz der Ölsäure C18H34O2 ) als Stabilisator (unpolare Oberflächenfunktionalisierung) Schüttelt und Rührt. Wässrige Phase hellt sich auf; Organische Phase eingefärbt. Oleat (stärkerer Ligand) hat Citrat von Oberfläche verdrängt. Goldpartikel wird in unpolare organische Disperionsmittel überführt. Technisch große Bedeutung für Kunststoffe, Lacke In medizin: Synthese und dann wasser als Dispersionmittel Plasmonenresonanz: EM-Feld ww mit Leitungselektronen (wellenlänge: 520 nm)  Bildung eines Dipolmoments im Nanopartikel Elektronen schwingen kurzeitig kohärent  Polarisierung, d.h. Elektronendichte verschoben. Umgebung, Größe und Art beeinflusst die Resonanzwellenlänge; d.h. verantwortlich für Rückstellkraft des der Elektronenoszillation. D.h. geschwächt durch äußeres Medium z.B Adsorption von Hormonen ruft Farbveränderung hervor  Schwangerschaftstest Synthese in wässriger Phase Zugabe unpolarer Phase Unpolare Oberflächenfunktionalisierung Überführung in unpolare Dispersionsmittel

15 Magnetische Flüssigkeiten
Verknüpfung flüssiger Eigenschaften und magnetischer Eigenschaften Bestandteile einer stabilen, kolloidalen Dispersionen magnetisierbaren Kern (2 nm – 20 nm)  Eindomänenpartikel Oberflächenbeschichtung Trägerflüssigkeit  Stabilität: Agglomeration, Sedimentation, Segregation Zuvor: Schmelzen von großen Magneten, jedoch ging bevor diese zu Schmelzen zu begannen, die magnetische Eigenschaft verloren. Dann hat man größe Teilchen (Eisenspäne) herangezogen. Jedoch Probleme der Agglomeration, Sedimentation und Segregation. 1965 NASA Mitarbeiter endteckt Magnetisierbaren Kern ferri- und ferromagnetischer Partikel (Magnetit  ferri), hohe Suszeptibilität Oberflächenbeschichtung: Tenside, Ölsäure (am besten für Magnetit) Trägerflüssigkeit: Öle, Kohlenwasserstoffe, Wasser Makrokristalline ferromagnetische Materialien: Vielzahl magnetischer Domänen (Weißsche Bezirke), in denen die magnetischen Spins so angeordnet sind, dass ein gerichtetes magnetisches Moment entsteht. Eindomänenpartikel verfügen über gleich ausgerichtete Spins, man erhält ein großes konstantes magnetisches Gesamtmoment. Keine WW wie bei Weissschen Bezirke und somit keine Hysterese. Man kann die Nanoteilchen als isoslierte Dipole betrachten.

16 Magnetische Flüssigkeiten
Einfluss durch äußeres Magnetfeld: kein Magnetfeld: stat. Verteilung  Σm = 0 stat. Magnetfeld: Ausrichtung  Σm > 0 keine Hysterese  Superparamagnetismus Sättigungsmagnetisierung ist charakteristische Größe von der Art und dem Volumenanteil im Fluid abhängig Superparamagnetismus: aufgrund relativ geringer magnetischer Wechselwirkung benachbarter Nanopartikeln erfolgt eine gemeinsame magnetische Ausrichtung der Partikeln bzw. der Weißschen Bezirke erst, wenn ein externes Magnetfeld anliegt. Magnetit in synth. Ester, Ölsäure, Suszept. 1,95; Magnet: 300 mT, Dichtungen; mit Anlegen eines Permanentmagneten an Dichtungsstellen; Verschleißfreie Methode: für stätndig ändernde Dichteöffnungen Anwendung: biomedzinische und technische Bereiche

17 Anwendung: Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln
Tumorzelle Nanopartikel Injektion mag. Wechselfeld Bereits 1987 begann man mit Grundlagenforschung Bild 1: Größenverhältnis Hirntumorzelle) und superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikel (d<20 nm) Eisenoxidpartikel ist 500x größer als rotes Blutkörperchen; 1 ml Nanosuspension = 17 Billiarden Partikel d.h. hohe Dichte die man injiziert Bild 2: für therapeutische Anwendung patentierte Hülle  sorgt für gute Aufnahmen, Verteilung und Stabilität Bild 4: einmalige Injektion ins Tumorgewebe; nimmt es bevorzugt auf Bild 5: Suspension breitet sich in den Zwischenräumen der Tumorzellen aus (blau). Links aggressive Tumorzelle, rechts gesunde Tumorzelle Bild 6: durch magnetische Wechselfeld, dass für mensch ungefährlichich; die Nanopartikel richten sich nach Feld aus fache wechsel der magnetischen Pole innerhalb der Nanopartikel pro Sekunde ; durch Wärme  erleichtert das Eindringen der Partikel ins Zellinnere Bild 7: Schwingung der Partikel führt zu Wärme-/Hitzeentwicklung von °C und es kommt zur Anschwellen der Tumorzellen bis sie „platzen“ Zerstörung oder Schädigung beginnt bereits bei 40°C Körper baut Tumorzellen auf normalem Wege ab Druch direkte Injektion bleiben die gesunden Zellen weitgehen unbeschädigt; Erprobungszeit; Erfolg nur bei Mäusen Probleme: Temperaturregelung, Monodispersität (weg. Mag. Moment), Diffusionszeit in Zellen Wärmeentwicklung Zerstörung Abbau durch Körper

18 Quellenangabe: Emil Roduner, Size matters: why nanomaterials are different,  Chem. Soc. Rev., 2006, 35, 583 Fonds der Chemischen Industrie im Verband der Chemischen Industrie e. V., Wunderwelten der Nanomaterialien, FCI, September 2005; Herman Sander Mansur, Quantum dots and nanocomposites, 2010 John Wiley & Sons, Inc., March/April 2010, Volume 2 S. Becht, S. Ernst, R. Bappert, C. Feldmann, Nanomaterialien zum Anfassen, Ch. in unserer Zeit, 2010,44, 14-23 Stefan Odenbach, Ferrofluide – ihre Grundlagen und Anwendungen, Physik in unserer Zeit, 32. Jg , Nr. 3 C. Raab, M. Simkó*, U. Fiedeler,M. Nentwich, A. Gazsó, Herstellungverfahren Nanopartikel und Nanomaterialien, NanoTrust-Dossier, November 2008, Nr. 006 MagForce Nanotechnologies AG, Nano-Krebs®-Therapie, FighingCancer with Nanomedicine, Company Presentation, January 2011

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!