Herstellung und Charakterisierung asymmetrischer Nanopartikel-Superstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Koetz
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 313068956

Mit dem vorliegenden Projektantrag soll die Herstellung und Charakterisierung asymmetrischer Nanopartikel-Superstrukturen auf der Basis von dreieckigen/hexagonalen Gold-Nanoplättchen realisiert werden. Die gezielte Herstellung der anisotropen Gold-Nanoplättchen erfolgt in einer Vesikel-Templatphase, die durch Zusatz eines Polyampholyten in eine tubuläre Netzwerkstruktur umgewandelt wurde. Die spezifische Struktur der resultierenden Templatphase ermöglicht dabei einen Keimbildungsprozess, in dessen Verlauf asymmetrische flache hexagonale bzw. dreieckige Plättchen wachsen. Auf der mit dem Polyampholyten PalPhBisCarb funktionalisierten negativ geladenen Oberfläche der Gold-Plättchen erfolgt die Adsorption von entgegengesetzt geladenen 2-20 nm großen Nanopartikeln (Ag, Au, CdS, Fe3O4), die ihrerseits in einem separaten Keimbildungsprozess gebildet wurden und durch Polykationen (z.B. Polyethylenimin) stabilisiert sind. Damit wird ein Andocken der Nanoteilchen über vorzugsweise elektrostatische Wechselwirkungen realisiert, sowie durch Konjugation über komplementäre DNA Einzelstränge bzw. endständige Mercaptogruppen. Die Stapelung der Gold-Nanoplättchen zu hochgeordneten Super-Strukturen erfolgt dann in einem nächsten Schritt.Der besonders interessante Aspekt dieser Strategie ist in der Tatsache zu sehen, dass insbesondere die optischen und magnetischen Eigenschaften der hochgeordneten Stapelstrukturen ganz gezielt über die adsorbierten sphärischen Nanopartikel eingestellt werden können. Im Resultat der Projektarbeit werden definiert hochgeordnete anisiotrope Strukturen auf der Nanometerskala mit antibakteriellen, magnetischen oder opto-elektronischen Eigenschaften zugänglich. Da für die sphärischen Nanopartikel ein Größenbereich zwischen 2-20nm in Abhängigkeit der Synthesemethode eingestellt werden kann, ist eine Variation der Eigenschaften der Assemblies nicht nur über die Art der adsorbierten Nanopartikel sondern auch über deren Teilchengröße möglich.Als Untersuchungsmethoden werden die Asymmetrische Fluß - Feldflußfraktionierung, sowie Dynamische Lichtstreuung, Zetapotentialmessungen und UV-vis Spektroskopie zur Charakterisierung der Gold-Nanopartikel herangezogen. HRTEM Untersuchungen erfolgen zur weitergehenden morphologischen Charakterisierung der Triangel bzw. Stapelstrukturen. Auf Grund der state-of-the-art Ausstattung der hochauflösenden Elektronenmikroskopie in der AG Koetz mittels Tomographie und Elementanalyse (EELS, EDX) kann die Adsorption einzelner Nanopartikel auf der Matrixoberfläche explizit nachgewiesen werden.Insgesamt ist festzustellen, dass die geplanten Arbeiten deutlich über den bisherigen Kenntnisstand hinausgehen, da eine durchgängig einheitlich monodisperse Verteilung von Nanopartikeln in asymmetrischen Assemblies bisher nicht realisiert werden konnte. Dieses Projekt stellt damit den Ausgangspunkt für umfangreiche Forschungarbeiten auf dem Gebiet der Entwicklung zukünftiger multifunktionaler Nano-Plattformen dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Dietmar Appelhans