Nano-Würfel in Rotation

Dr. Rafal Klajn und Postdoktorand Dr. Gurvinder Singh aus dem Fachbereich Organische Chemie am Weizmann Institut benutzten Nanowürfel eines oxidierten Stoffes, genannt Magnetit. Wie der Name andeutet, handelt es sich um einen natürlichen magnetischen Stoff, der überall angetroffen wird, auch in Bakterien, die ihn benutzen, um das Magnetfeld der Erde aufzuspüren.

Magnetismus ist nur eine der Kräfte, die auf die Nanoteilchen einwirken. Gemeinsam mit der Forschungsgruppe von Prof. Petr Kral von der Illinois Universität in Chicago haben Klajn und Singh theoretische Modelle entwickelt, um besser zu verstehen, wie die verschiedenen Kräfte die winzigen Magnetitteilchen in verschiedene Formationen schieben und ziehen. "Verschiedene Arten von Kräften zwingen die Nanoteilchen dazu, sich unterschiedlich anzuordnen," sagt Klajn. "Sie können miteinander konkurrieren, weshalb das Gleichgewicht der konkurrierenden Kräfte gefunden werden muss, um die Selbstanordnung der Teilchen in neue Materialien herbeizuführen." Diese Modelle suggerieren, dass die Form der Nanoteilchen wichtig ist und nur die Würfelform das geeignete Gleichgewicht zur Entstehung helixförmiger Formationen bietet.

Die Forscher stellten fest, dass es sich bei den beiden miteinander konkurrierenden Kräften um magnetische Felder und die Van-der-Waals-Wechselwirkung handelt. Magnetische Felder bewirken, dass sich die magnetischen Teilchen sowohl anziehen als auch abstossen und sich die Würfel Ecke an Ecke anordnen. Van-der-Waals-Kräfte hingegen bewirken, dass die Seiten der Würfel näher aneinandergezogen werden und sie sich somit in einer Reihe anordnen. Wenn diese Kräfte gleichzeitig auf die winzigen Würfel einwirken, ergeben sich Stufenanordnungen, die helixförmige Strukturen formen.

In ihren Experimenten haben die Wissenschaftler verhältnismäßig hohe Konzentrationen von Magnetit-Nanowürfeln in einer Lösung dem magnetischen Feld ausgesetzt. Die entstehenden langen Nanofasern in helixförmigen Ketten, die nach dem Verdunsten der Lösung entstanden, waren überraschenderweise sehr einheitlich. Sie wiederholten das Experiment mit Nanoteilchen anderer Formen, aber, wie vorhergesehen, verfügten nur Würfel über die richtige physische Form, um sich helixförmig anzuordnen. Klajn und Singh entdeckten auch, daß sie mit hohen Teilchenkonzentrationen chirale Stränge erhielten, die sich alle in dieselbe Richtung drehten und bei denen sich diverse Stränge dicht aneinanderfügten. Scheinbar sind die miteinander konkurrierenden Kräfte dazu imstande, diese Stränge auf sehr effektive Weise dicht zu packen.

Obwohl die Nanowürfel zusammengefügt sehr schön aussehen, meint Klajn, sei es noch zu früh, um eine kommerzielle Anwendung zu erwägen. Der sofortige Wert der Forschungsarbeit, meint er, liegt vorerst nur darin, dass er ein fundamentales Prinzip der Selbstanordnung im Nanomaßstab unter Beweis gestellt hat. "Obwohl Magnetit bereits jahrzehntelang ausführlich auch in Nanoteilchenform untersucht wurde, hat bisher niemand zuvor diese Strukturen beobachtet," sagt Klajn. "Erst wenn uns klar ist, wie die verschiedenen physikalischen Kräfte sich auf die Nanoteilchen auswirken, können wir damit beginnen, unsere Einsichten zur Herstellung von bisher unbekannten, sich selbst anordnenden Stoffen anzuwenden."

 

 

Dr. Rafal Klajns Forschungsarbeit wird finanziert vom Abramson Family Center for Young Scientists, aus dem Nachlass von Olga Klein Astrachan und vom Europäischen Forschungsrat.