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Nanomaterialien: Laser erzeugt hochreine Partikel

Stephan Barcikowski und Niko Bärsch

Laser Zentrum Hannover e. V., Nanotechnology Department, Nanomaterials Group, Hannover
Kontakt: S.Barcikowski@lzh.de, N.Baersch@lzh.de

Nanococktails aus der Laser-Bar

Quelle: GIT Labor-Fachzeitschrift 11/2007

Basierend auf der Anzahl der Patente in Europa gilt die Nanotechnologie als Zukunftsmotor für die Energie-, Umwelt-, Informations- und Medizintechnik. Die Eigenschaften von Strukturen im Nanometerbereich unterscheiden sich von denen der „Großen“ und bieten so neue Potentiale in verschiedensten Anwendungsgebieten. Beispielsweise sorgen schon jetzt Keramiknanopartikel unsichtbar für kratzfeste Autolacke, Partikel aus Silber schützen vor Biofilmbildung und Infektionen. Gold-Nanopartikel und magnetische Nanopartikel werden bereits in der medizinischen Diagnose und Therapie vom Schwangerschaftstest bis hin zur Krebsbekämpfung eingesetzt. Laut einer Studie der DG-Bank im Auftrag der BASF betrug 2001 der Weltmarkt für Nanopartikel und Nanomaterialien, welche ¼ des Nanotechnologiemarktes darstellen, bereits 15.000.000.000 €.

Es gibt viele Möglichkeiten, Nanopartikel entstehen zu lassen. Eine übliche Methode ist es Nanopartikel auf chemischem Weg in der Gasphase oder Flüssigkeit herzustellen, was aber zu Verklumpungen (Agglomeraten) oder Verunreinigungen durch Hilfsstoffe (Precursor und Additive) führen kann. Gerade für anspruchsvolle Anwendungen in der Kunststoff- und Medizintechnik werden jedoch hochreine und stabile Partikel benötigt. Darüber hinaus verlangen die Anwender oftmals nach dem Design von Nanopartikeln aus neuen Materialien, Legierungen oder auch nach Mischungen aus Nanopartikeln für den Einbau und die Kombination von Nanoeffekten in ihren Produkten. Aber wie stellt man solche Nanomaterialien schnell und hochrein her?

Am Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH) wird das gepulste Laserstrahlabtragen in Flüssigkeit eingesetzt, um Nanopartikel zu generieren. Hierbei wird ein Verfahren verwendet, das mittels ultrakurzer Laserpulse die Nanopartikel direkt aus einer Substratoberfläche „sprengt“. Dieses Substrat befindet sich in einer geeigneten Flüssigkeit wie Wasser, Lösungsmittel oder einem Monomer, die das wertvolle und empfindliche Nanomaterial zugleich stabilisiert. Eine Erwärmung des Ausgangsmaterials durch den Laserabtragsprozess wird durch den Einsatz dieser ultrakurzen Pulse vermieden. Somit bleibt die Qualität der Nanopartikel erhalten. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass nahezu jegliche Feststoffe auf diese Weise „zerkleinert“ werden können und somit jede denkbare „Mixtur“ für die Kombination von Eigenschaften hergestellt werden kann. Anders ausgedrückt, kann man mit diesem Verfahren nach Rezept beliebige „Nanococktails“ mixen. Das ist besonders wichtig für die Umsetzung von Nano-Multifunktionen (z. B. verschleißfest und anitbakteriell). In weiteren Verfahrensschritten können diese Nanococktails verarbeitet oder in Kunststoffe eingebettet werden. Dadurch dass die Nanopartikel schon bei ihrer Entstehung in der Flüssigkeit stabil vorliegen, liegen sie bei der Einbettung in Kunststoffe ebenfalls gleichmäßig verteilt im entsprechenden Volumen vor.

Dieses laserbasierte Verfahren – auch „Rapid Nanomaterial Manufacturing“ genannt – erlaubt die Produktion stabiler Nanopartikel sowie deren verlustfreie Einbettung (vollständige Dispersion) in einen gewünschten Kunststoff. Da das Verfahren ohne chemische Hilfsstoffe auskommt, ist das entstehende Produkt besonders rein und damit frei von eventuellen unkontrollierbaren Effekten, schwankender Qualität oder Nebenwirkungen. Somit ermöglicht dieses Verfahren eine Bereitstellung von neuen Materialien für eine Vielfalt von Anwendungsfeldern mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Ein Bett im Kunststoff

Quelle: "medizin & technik", November 2007

Nanopartikel lassen sich durch Laserstrahlen herstellen. Die Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren: Verunreinigungen entfallen, die Partikel lassen sich in Kunststoffe einbetten, und Materialmischungen sind ohne Aufwand möglich.

Ein neuer Ansatz aus der Lasertechnik eröffnet der Nanotechnologie ganz neue Möglichkeiten: Mit bestimmten, insbesondere kurz gepulsten Lasern lassen sich beliebige Materialien sehr präzise abtragen. Diese Technik wird seit vielen Jahren zur Strukturierung von Bauteilen für die Mikrotechnik genutzt. Das dabei entfernte Material ist aber besonders interessant, denn es ist fast ausschließlich nanopartikulär und zugleich hochrein. Diese Tatsache wurde erst in den letzten Jahren deutlich – und sie wird am Laser Zentrum Hannover (LZH) inzwischen genutzt, um neuartige Kolloide zu erzeugen.

Durch Laserabtrag in Flüssigkeiten sind Nanopartikel herstellbar, die aus beliebigen Materialien bestehen – seien es Metalle, Keramiken, Legierungen oder Materialkombinationen. Eine Erwärmung des Substrats und der Flüssigkeit wird durch die ultrakurzen Pulse vermieden. Geeignete flüssige Medien stabilisieren die Partikel, vermeiden Agglomerationen und bieten die Möglichkeit, den Partikeln mit chemischen Gruppen zusätzliche Funktionalisierungen zu verleihen. Das erschließt ihnen den Einsatz in vielen biotechnologischen Anwendungen.

Ein Effekt der Nano-Welt: Lasererzeugte Kolloide aus Silber, Gold, Titan und Kupfer (von links nach rechts) in Aceton haben aufgrund der so genannten Plasmonenresonanz ein stoffspezifisches Absorptionsmaximum. Beispielsweise lassen Gold-Nanopartikel Aceton oder Wasser rot erscheinen, da grünes Licht durch Oberflächenschwingungen an den Partikeln absorbiert wird (Bilder: LZH).

Interessant ist das Verfahren, weil es sich für viele Materialien eignet und deren Kombination ermöglicht. So können unter anderem Multifunktionalitäten erzeugt werden – etwa Nanomaterial, das sowohl verschleißfest ist als auch antibakteriell wirkt.

Auch bisher gab es eine Reihe von Möglichkeiten, Nanopartikel entstehen zu lassen.

  • Ein üblicher Ansatz ist die Synthese auf chemischem Weg. Die chemische Gasphasensynthese ermöglicht zum Beispiel die Erzeugung freier Nanopartikel im Tonnenmaßstab, ist jedoch vorwiegend für Metalloxide qualifiziert und führt leicht zu Verklumpungen des Nanopulvers.
  • Das Sol-Gel-Verfahren ist das am häufigsten eingesetzte nasschemische Verfahren zur Erzeugung von Kolloiden. Es erfordert jedoch eine anschließende Aufreinigung, und es ist zu aufwändig, das Verfahren für jedes Material anzupassen.
  • Auch mechanische Zerkleinerungsprozesse werden zur Herstellung von Nanopartikeln genutzt, indem polykristallines Pulver über mehrere Stunden in Mühlen aus gehärtetem Stahl oder Wolframkarbid gemahlen wird. Die Defizite sind hier vor allem in Verunreinigungen durch Mahlkörper-Abrieb und Schmierstoffe zu sehen sowie in einer beschränkten Materialauswahl.

Insbesondere Verunreinigungen galten bisher als starkes Argument dagegen, beispielsweise Implantate mit Nanolacken zu beschichten, obwohl das aus medizinischer Sicht sinnvoll sein kann. Dieser Ansatz ist auch nach wie vor unerwünscht, da Lacke abplatzen können.

Schema des „Rapid Nanomaterial Manufacturing“: Auf die laserbasierte Erzeugung von Nanopartikel-Dispersionen folgt die radikalische oder thermische Polymerisation zu einem Feststoff. Analog dazu exisitieren kontinuierliche Prozessvarianten des Verfahrens.

Die Gruppe Nanomaterialien am LZH verfolgt daher einen anderen Ansatz, um die Vorteile der Nanotechnologie für die Medizin nutzbar zu machen: Die freie Wahl der Trägerflüssigkeit bei der lasergestützten Erzeugung von Nanopartikeln ermöglicht es, die Partikel auch in Lösemitteln und sogar Monomeren zu erzeugen. So lassen sich Kunststoffe polymerisieren, in denen die lasererzeug ten Nanopartikel von Anfang an enthalten sind. Mit diesem „Rapid Nanomaterial Manufacturing“ genannten Verfahren werden aus den Nanopartikel-Dispersionen gießfähige Biomaterialien, in denen die gewünschten Partikel sehr gleichmäßig eingebettet sind. Implantate, die aus solchen Kunststoffen bestehen oder damit ummantelt sind, enthalten die Nanopartikel fest und sicher umschlossen, erlauben aber dennoch die medizinisch relevante Freisetzung von Metallionen aus Partikeln nahe der Bauteiloberfläche.

Im Rahmen eines laufenden Projektes werden Cochlea-Implantatelektroden, die gehörgeschädigten Neugeborenen durch Nerven- Anregung Höreindrücke verschaffen, mit der artigen Kunststoffen ummantelt, die bestimmte Konzentrationen verschiedener metallischer Nanopartikel enthalten. Es ist bekannt, dass eine Anpassung der Partikelsorten eine selektive Wirkung auf das Anwachsen bestimmter Zellgewebe entfaltet. So lässt die Oberfläche des Cochlea-Implantates bei einem geeigneten Zusammenspiel der Partikel Hörnervzellen wachsen und unterdrückt zugleich wucherndes Gewebe.

Last Change: 27.03.2009
 
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