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Weiche Molekülketten ermöglichen neue Kristallgitter
Kristalle müssen nicht immer möglichst dicht gepackt sein: Eine neue Methode lässt gleichförmige Nanopartikel durch besonders biegsame Molekülketten zu ungewöhnlich offenen Gittern zusammenfinden. Die Verbindungen richten sich erst während der Selbstorganisation aus und begrenzen dabei die Zahl der Nachbarn. Das könnte künftig die Herstellung maßgeschneiderter Materialien erleichtern.
Cambridge (U.S.A.). Ein Kristall besteht aus Bausteinen, die in einer regelmäßigen räumlichen Ordnung angeordnet sind. Bei größeren Kristallen aus Nanopartikeln fällt diese Ordnung häufig besonders dicht aus, weil anziehende Kräfte möglichst viele Kontaktstellen zwischen den kugeligen Bausteinen begünstigen. Für ungewöhnliche Gitter, in denen die Partikel weniger Nachbarn haben, war daher bislang meist eine gezielte räumliche Ausrichtung der Bindungsstellen nötig.
Typische Ansätze verändern dafür die Teilchenform oder versehen ihre Oberflächen mit festen, nur in bestimmten Richtungen aktiven Kontaktstellen. Das kann aufwendig sein und erlaubt oft nur Strukturen, die schon bei der Herstellung der Bausteine angelegt wurden. Doch die Beweglichkeit der Verbindungsmoleküle eröffnet eine andere Möglichkeit: Die Richtung der Verknüpfung muss nicht von Beginn an vorgegeben sein.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Prof. Robert J. Macfarlane haben dazu kugelförmige Gold-Nanopartikel mit biegsamen Polymerketten kombiniert. Die sogenannten Liganden tragen an ihren Enden positive oder negative elektrische Ladungen, sodass sich gegensätzlich geladene Partikel gegenseitig anziehen. Für die Untersuchung ergänzte das Team die Laborversuche durch Computersimulationen.
Der entscheidende Unterschied zu bisherigen Konstruktionen liegt in den Verbindungsketten: Statt starr in eine bestimmte Richtung zu zeigen, können sie sich beim Zusammenkommen der Partikel umordnen. An den Kontaktflächen sammeln und orientieren sich die Ketten so, dass dort bevorzugt Verbindungen entstehen. Dadurch wird auch festgelegt, wie viele Nachbarpartikel ein Baustein insgesamt binden kann.
„Wir dachten: ‚Machen wir genau das Gegenteil: Gestalten wir die Bindungen so flexibel, dass es keine Rolle spielt, in welche Richtung sie anfangs zeigen.‘ Die Liganden können sich dann beim Zusammenlagern der Partikel neu anordnen, und genau diese Umordnung begrenzt, wie viele Nachbarn jedes Partikel binden kann“, erklärt Prof. Robert J. Macfarlane.
In den Experimenten ließ sich die Zahl der Verbindungen verändern, indem die Größe der Nanopartikel und die Länge ihrer Polymerketten angepasst wurden. Die Simulationen und Messungen stützen dabei denselben Mechanismus: Je leichter sich die Ligandenhüllen verformen, desto weniger Nachbarn kann ein Partikel im Gitter haben. Die Teilchen bilden deshalb nicht zwangsläufig die dichteste mögliche Packung.
So entstanden geordnete Nanopartikel-Kristalle mit geringerer Packungsdichte und teils niedrigerer Symmetrie, als es Modelle für starre Kugeln erwarten ließen. Entscheidend ist dabei nicht, dass die Bausteine eine kantige Form oder vorgefertigte, einseitig klebrige Stellen besitzen. Die effektive Bindungszahl, die Fachleute als Valenz bezeichnen, ergibt sich während der Selbstorganisation von selbst.
„Ohne vorher festlegen zu müssen, wo sich die Partikel verbinden oder welche Form sie haben, können wir die Zahl der Bindungen jedes Partikels steuern“, erläutert Prof. Robert J. Macfarlane.
Damit verschiebt sich eine zentrale Konstruktionsregel: Die räumliche Ausrichtung der Verbindungen muss nicht zwangsläufig durch die Teilchenform oder starre Ketten vorgegeben sein. Auch eine flexible, zunächst rundum gleichartige Partikeloberfläche kann die Symmetrie des entstehenden Gitters aufbrechen. Der Befund betrifft jedoch bestimmte im Labor untersuchte Systeme und ist keine Aussage über beliebige Nanopartikel oder Kristalle.