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Posted: Mar 15, 2011

Neue Generation von "smarten" Materialien

(Nanowerk News) Einem internationalen Forscherteam aus Australien, Italien und Österreich (ÖAW-Institut für Biophysik und Nanosystemforschung) ist die Herstellung von hoch geordneten, porösen Kristallen, die mehrdimensionale Strukturen mit extrem großen Oberflächen aufweisen, gelungen. Sie entwickelten eine spezielle Methode, die sowohl die volle Kontrolle über Ort und Art des Kristallwachstums als auch die Wachstumsgeschwindigkeit ermöglicht. Damit wird der Weg frei für verschiedene Anwendungsmöglichkeiten.
Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten wurden in Nature Communications am 15. März 2011 publiziert ("A new method to position and functionalize metal-organic framework crystals").
Bei dem Projekt kooperierten Wissenschaftler aus verschiedenen australischen Universitäten bzw. Forschungseinrichtungen (Projektleitung: Paolo Falcaro und Dario Buso, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, CSIRO), der Assoziazione CIVEN, Italien, und dem Institut für Biophysik und Nanosystemforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Die Forscher entwickelten einen revolutionären Weg, um das Wachstum einer Familie von neuen Materialien – poröse metallorganische Gerüstverbindungen (MOF) – zu kontrollieren.
MOF Kristallwachstum
(a) Schematisch Darstellung der "Seeds" nach Einbringung in die mikrofabrizierten Kavitäten und (b) kontrolliertes Wachstum der MOFs in den Mikrokavitäten. (c) Elektronenmikroskopbild des durch "Seeds" gesteuerten MOF Kristallwachstums in jeder der Mikrokavitäten (links) und der zeitlich unterschiedlichen Stadien des Kristallwachstums der MOFs (rechts).
Ein Gramm des Materials besitzt eine Oberfläche von mehr als drei Fußballfeldern. Die raumfüllenden Poren können als Schwämme genutzt werden, die Gase wie Wasserstoff, Kohlendioxyd oder Erdgas speichern können. Ebenso könnten sie als Nanosiebe zur Reinigung von Gasen oder Flüssigkeiten als auch in der Medizin als Wirkstoffspeicher und -transporter eingesetzt werden.
Bisher waren, so die Projektleiter Paolo Falcaro und Dario Buso, viele der potenziellen Anwendungsmöglichkeiten der MOFs durch ihre langwierige Herstellung und die Unmöglichkeit der Wachstumskontrolle eingeschränkt. Die kooperierenden Forschungsteams lösten dieses Problem, indem sie die Methode des so genannten "Seedings" entwickelten.
3D-Oberflächen mit Röntgenlithographie von ÖAW-Wissenschaftlern hergestellt Die Gruppe um Heinz Amenitsch an der Außenstelle des ÖAW-Instituts für Biophysik und Nanosystemforschung am Elektronenspeicherring ELETTRA (Triest) hat zu dieser Arbeit durch die Herstellung der dreidimensionalen Oberflächen mit Röntgenlithographie beigetragen. "Dadurch wird das Wachstum der MOF's in geordneten Strukturen an der Oberfläche ermöglicht", betont Heinz Amenitsch.
Benedetta Marmiroli, die Spezialistin für Mikrofabrikation und Mikrofluidik des IBN erklärt: "Als entdeckt wurde, dass die MOF-Kristalle durch die Beigabe von keramischen, sphärischen Mikropartikeln gezielt zum Wachstum gebracht werden können, war es nur ein kleiner Schritt diese Eigenschaft auf mikrogefertigten 3D-Oberflächen zu nutzen, welche mit der Röntgenlithographie bei ELETTRA hergestellt wurden. Das Wachstum konnte durch die Platzierung der "Seeds" in den Oberflächenkavitäten kontrolliert und gesteuert werden."
Wachstumsgeschwindigkeit verdreifacht
Um die Flexibilität dieses Ansatzes zu zeigen, konnte auch die Eigenschaften der "Seeding" Teilchen durch Zugabe von aktiven Nanopartikeln – magnetisch, lumineszierend, katalytisch oder photochrom - verändert werden, ohne die Eigenschaften der MOFs zu beeinflussen. Diese Materialien haben durch ihre Nanostruktur und ihre spezifische Aktivität ein vielversprechendes Potenzial im Bereiche der optischen Sensoren oder Konservierung, Verabreichung und kontrollierte Abgabe von Medikamenten.
Source: Austrian Academy of Sciences
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