Mit der Wahl des Lösungsmittels lässt sich die Struktur von Beschichtungen aus Nanopartikeln gezielt beeinflussen. Das zeigt eine Untersuchung unter Leitung des DESY-NanoLabs. Das Lösungsmittel, in dem Nanopartikel vor der Beschichtung schwimmen, steuert demnach, wie sich die Partikel in der Schicht anordnen. Auf diese Weise können die Eigenschaften der Beschichtung an den Verwendungszweck angepasst werden, berichtet das Team um NanoLab-Leiter Andreas Stierle im Fachblatt „Nanoscale“. So könnte sich beispielsweise die Härte der Beschichtung optimieren lassen.

Die Forscherinnen und Forscher von DESY, der Universität Hamburg und der Technischen Universität Hamburg hatten untersucht, wie sich Nanowürfel aus Magnetit (Fe₃O₄) während der sogenannten Rotationsbeschichtung (spin coating) anordnen. Mit diesem unter anderem in der Halbleiterindustrie verwendeten Verfahren lassen sich sehr gleichmäßige Schichten auf einen Untergrund auftragen, indem die Flüssigkeit zur Beschichtung auf den rotierenden Untergrund gesprüht wird. Höhe und Beschleunigung der Drehgeschwindigkeit beeinflussen die Verteilung der Beschichtung.

Nanopartikel müssen für dieses Verfahren in einem Lösungsmittel aufgesprüht werden, das im Prozess der Beschichtung dann verdampft. Dabei bleiben je nach Lösungsmittel unterschiedliche Strukturen zurück, wie die Analyse mit dem Elektronenmikroskop zeigt. „Mit dem Lösungsmittel Toluol ordnen sich die Nanowürfel beispielsweise in einem hexagonalen Muster an, bei Chlorofrom entsteht hingegen ein kubisches Muster“, erläutert Stierle. Die Struktur hat direkte Folgen für die Eigenschaften der Beschichtung. So ist die dichter gepackte hexagonale Struktur in der Regel härter als die kubische.

„Wir nehmen an, dass die unterschiedliche Struktur schon von der Nahordnung der Nanopartikel im Lösungsmittel stammt“, sagt Hauptautor Erik Beck aus Stierles Team. Die Nanopartikel umgibt in der Regel ein Film aus Ölsäure. Das ist eine Standardbehandlung, die dafür sorgt, dass sich die Partikel besser verbinden. „Die verschiedenen Lösungsmittel wechselwirken unterschiedlich stark mit der Ölsäure“, berichtet Beck.

„Bei Chloroform ist die Wechselwirkung stärker, die Ölsäure-Moleküle spreizen sich daher stärker, so dass sie besser die Form des Nanopartikels reproduzieren. So entsteht eine kubische Schicht“, erläutert Agnes Weimer von der Universität Hamburg. „In Toluol hingegen ist die Wechselwirkung schwächer, die Nanopartikel sehen in ihrer Ölsäure-Hülle eher kugelförmig aus und bilden eine hexagonale Schicht.“

Die verschiedenen Strukturen erinnern an jene, die Atome in einem Kristallgitter bilden, nur dass die Nanopartikel selbst winzige Kristalle sind. „Das ist ein typisches Bauprinzip, wie die Natur harte Beschichtungen herstellt, beispielsweise Perlmutt oder Zahnschmelz“, sagt Gerold Schneider von der Technischen Universität Hamburg. „Mit unserer Methode haben wir nun die Möglichkeit, Schichten mit gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.“

In einer früheren Untersuchung hatte das NanoLab-Team gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von der Universität Hamburg und der Technischen Universität Hamburg bereits entdeckt, dass sich Materialien aus Nanopartikeln durch Erhitzen härten lassen. „Normalerweise brechen solche Materialien entlang der Ölsäure-Grenzschichten“, erläutert Heshmat Noei aus dem DESY-NanoLab. „Wir haben beobachtet, dass Erhitzen zu Reaktionen der Ölsäure mit Sauerstoff aus der Luft oder aus dem Nanomaterial führt, wodurch sich neue organische Verbindungen bilden, die schwerer brechen.“ Auch für diese Versuche hatte das Team Magnetit-Nanowürfel verwendet. Die Arbeit ist im Fachblatt „ACS Nano“ veröffentlicht.

„Üblicherweise werden Volumenmaterialien aus Nanopartikeln hergestellt, indem man das Lösungsmittel langsam verdampft“, erklärt Stierle. „Das ist allerdings ein relativ ungeordneter Prozess. Wir haben daher ein Verfahren gesucht, das ein geordnetes Wachstum des Materials ermöglicht. Mit der Rotationsbeschichtung lässt sich das Material Schicht für Schicht aufbauen und so beispielsweise besonders hart machen. Künstlicher Zahnschmelz ist dabei durchaus denkbar.“

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 986, Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

 

Originalveröffentlichungen:

Solvent controlled 2D structures of bottom-up fabricated nanoparticle superlattices; E. Erik Beck, Agnes Weimer, Artur Feld, Vedran Vonk, Heshmat Noei, Dieter Lott, Arno Jeromin, Satishkumar Kulkarni, Diletta Giuntini, Gerold A. Schneider, Tobias Vossmeyer, Horst Weller, Thomas F. Keller, Andreas Stierle; „Nanoscale“, 2023; DOI: 10.1039/D2NR03043H

Strengthening Engineered Nanocrystal Three-Dimensional Superlattices via Ligand Conformation and Reactivity; Alexander Plunkett, Michael Kampferbeck, Büsra Bor, Uta Sazama, Tobias Krekeler, Lieven Bekaert, Heshmat Noei, Diletta Giuntini, Michael Fröba, Andreas Stierle, Horst Weller, Tobias Vossmeyer, Gerold A. Schneider, and Berta Domènech; „ACS Nano“, 2022; DOI: 10.1021/acsnano.2c01332