Karlsruher Wissenschaftler nutzen Ionische
Flüssigkeiten und Mikrowellen zur Herstellung von Nanopartikeln.
"Man nehme Zinn- und Indiumchlorid, gebe es in einen Topf mit Ionischer
Flüssigkeit und erhitze das Ganze in der Mikrowelle." Was wie die
jüngste Kreation der Chemieküche klingt, beschreibt ein neues Verfahren,
um elektrisch leitende Nanopartikel aus Indium-Zinn-Oxid (ITO: Indium
Tin Oxide) schnell und einfach zu synthetisieren. Ohne aufwändige
Zwischenschritte produziert Professor Claus Feldmann vom Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) damit gleichförmige und regelmäßige, zehn
bis fünfzehn Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) große
Kristalle, die nicht verklumpen und sich leicht in wässrigen Medien
dispergieren lassen. Diese Nanokristalle können mit konventionellen
Techniken als unsichtbare Elektroden auf transparente, flexible oder
hitzeempfindliche Materialien aufgedruckt werden. Mit der inzwischen
patentierten "Ein-Topf-Mikrowellen-Synthese" in Ionischen Flüssigkeiten
stellt Feldmann aber auch andere nanoskalige Partikel wie etwa
lumineszierende Materialien her, die im sichtbaren Licht transparent
sind, unter UV-Licht aber farbig leuchten.
Elektrisch leitende Nanopartikel aus
Indium-Zinn-Oxid.
Nanopartikel, die sich als transparente, nur
wenige Nanometer dicke stromleitende oder leuchtende Schichten
auftragen lassen, werden in Leuchtdioden und Solarzellen, zur
Sicherheitsmarkierung oder für dekorative Zwecke eingesetzt. Um
besonders gleichmäßige Kristalle ohne Defekte in ihrer Gitterstruktur
zu gewinnen, sind üblicherweise hohe Temperaturen (bis 600 °C)
erforderlich. Zusätzlich beigemischte Substanzen, die die neu
gebildeten Partikel wie eine Nussschale umschließen, können
verhindern, dass diese sich zu größeren Aggregaten zusammenballen.
"Allerdings ist die Synthese aufwändig und einige Zusatzstoffe sind
toxisch. Nanopartikel für therapeutische oder diagnostische
Anwendungen in der Medizin kann man damit nur schwer synthetisieren",
erläutert Feldmann.
Um diese Nachteile zu umgehen, nutzt der Chemiker am DFG-Centrum für
Funktionelle Nanostrukturen des KIT sogenannte Ionische Flüssigkeiten
als Lösungsmittel. Sie bestehen ausschließlich aus großen Kationen und
Anionen, sind also ein wasserfreies, nicht-kristallines Salz. Sie sind
bei Temperaturen zwischen - 50 und + 400 Grad Celsius flüssig und
dabei chemisch stabil. Da sie kaum mit den gelösten Partikeln in
Wechselwirkung treten, lassen sie sich bei der Aufreinigung der
Produkte leicht entfernen. Diese Eigenschaft hat allerdings einen
Nachteil: Neu gebildete Partikel werden nicht von einem Mantel aus
Lösungsmittel-Molekülen umhüllt, der den Kontakt untereinander
verhindert. Erhitzt man das Gemisch auf konventionelle Art, bilden
sich daher wegen des Temperaturgefälles innerhalb der Lösung größere
Komplexe, die sich anschließend nicht mehr trennen lassen. Hier kommt
die "schnelle Welle" ins Spiel: Im Mikrowellenofen wird die Probe in
Sekunden gleichmäßig im ganzen Gefäß erhitzt und so die Aggregation
der Partikel verhindert.
"Die ersten Versuche haben wir tatsächlich mit einem einfachen
Hauhaltsgerät durchgeführt", erinnert sich Feldmann. Inzwischen
benutzt er aber eine spezielle Labor-Mikrowelle, in der er die
Reaktionslösung rühren und ihre Temperatur messen kann. Bis zur
industriellen Nutzung seines Syntheseverfahrens ist es allerdings noch
ein langer Weg. Denn noch sind Ionische Flüssigkeiten, die bisher kaum
technisch angewendet werden, relativ teuer. Die Preise würden aber mit
steigender Nachfrage sinken, ist sich Feldmann sicher. Außerdem
könnten die flüssigen Salze nach der Synthese wieder verwendet werden.
Chemieunternehmen wie die Evonik Degussa GmbH setzen bereits auf die
neue Methode und kooperieren eng mit dem Karlsruher Chemiker, dessen
Arbeiten zudem von den Ländern Baden-Württemberg und
Nordrhein-Westfalen, der Europäischen Union und der Deutschen
Forschungsgemeinschaft unterstützt werden.
Quelle: Das
Karlsruher Institut für
Technologie (KIT) ist der Zusammenschluss zwischen der
Universität Karlsruhe und dem Forschungszentrum Karlsruhe. Gemeinsam
arbeiten hier 8000 Beschäftigte mit einem jährlichen Budget von 600
Millionen Euro. Im KIT bündeln beide Partner ihre wissenschaftlichen
Fähigkeiten und Kapazitäten, richten die dafür optimalen Strukturen
für Forschung, Lehre und Innovation ein und entwickeln gemeinsame
Strategien und Visionen.
Mit KIT entsteht eine
Institution international herausragender Forschung und Lehre in den
Natur- und Ingenieurwissenschaften. KIT soll Attraktionspunkt für
die besten Köpfe aus der ganzen Welt werden, neue Maßstäbe in Lehre
und Nachwuchsförderung setzen und das führende europäische Zentrum
in der Energieforschung bilden. Im Bereich der Nanowissenschaften
will KIT eine weltweit führende Rolle einnehmen. Ziel von KIT ist
es, einer der wichtigsten Kooperationspartner für die Wirtschaft zu
sein.
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