Strukturbildung

INM Fellow-Projekt mit Prof. Nico Voelcker, Monash University in Melbourne

Ziel dieses Projektes ist es, eine Kooperation zwischen dem INM und dem Melbourne Center for Nanofabrication (MCN) zu Materialien für die responsive Freisetzung zu schaffen.

Nanomaterialien können den Transport von Wirkstoffen zu erkranktem Gewebe oder Zellen verbessern, beispielsweise wenn ihre Größe und Form die Aufnahme in Zellen erleichtern, oder aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche. Hier verbinden wir dieses Prinzip mit der Fähigkeit von Gold-Nanopartikeln, aus der Ferne elektromagnetisch beheizt zu werden. Die entstehende Wärme kann genutzt werden, um Krankheitserreger oder Krebszellen zu töten oder sie für konventionelle Wirkstoffe empfänglicher zu machen. Gold-Nanopartikel sollen in größere Silizium-Partikel eingebettet werden, um mehrstufige Systeme für den Wirkstofftransport zu schaffen. In dem Projekt wird auf das sich ergänzende Know-how des INM in „bottom-up“ Materialsynthese und des Melbourne Center for Nanofabrication, das herausragende Methoden zur Nanostrukturierung zur Verfügung stellt, zurückgegriffen.

Unsere ökologische Verantwortung sowie die Vorschriften der Europäischen Union und der nationalen Regierungen erfordern ein höheres Maß an Recycling von Elektronik. Polymer-integrierte Elektronik kann die Menge der verwendeten Materialien reduzieren, ihre Integration macht aber die Rückgewinnung von Materialien (Metalle und Polymere) schwieriger als bei herkömmlicher Elektronik. Dies stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Innovation dar, das durch gut durchdachte Materialauswahl und Designanpassung verringert werden kann. Zu diesem Zweck testet ReIn-E neue Materialien als „Trennschichten“ ein und testet und optimiert Designs, die Zuverlässigkeit, Leistung und Marktkompatibilität sicherstellen. Wir erarbeiten einen „Best Practice“-Modellzyklus von der Herstellung der Pasten über den Druck und die Formgebung bis zur Metallrückgewinnung.

I-Seed: Towards new frontiers for distributed environmental monitoring based on and ecosystem of plant seed-like soft robots

I-Seed vereint bioinspirierte weiche Robotik, Materialwissenschaften und Umweltwissenschaften mit dem Ziel, eine neue Generation von sich selbst ausbringenden und biologisch abbaubaren weichen Minirobotern zu entwickeln, die das Verhalten von Pflanzensamen imitieren. Die Roboter, die aus künstlichen Samen-Strukturen und Sensormaterialien bestehen, sollen In-situ-Umweltparameter in der Luft und im Boden überwachen, z. B. Schadstoffbelastung, Feuchtigkeit, CO2-Gehalt, Temperatur und Wasserqualität. Im Rahmen dieses Projekts entwickeln wir fluoreszierende Sensormaterialien, deren optische Eigenschaften von Umweltfaktoren abhängig sind. Bei der Auswahl der fluoreszierenden Materialien wird auf deren Abbaubarkeit und Umweltverträglichkeit geachtet.

Flexible und druckbare Elektronik erfordert neue Materialien. In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit optisch transparenten Materialien für die Elektronik der Zukunft. Das BMBF-geförderte Projekt im Rahmen des NanoMatFutur-Programmes verwendet Nanopartikel mit definierten Formen und Anordnungen in Polymeren, um transparente Elektroden beispielsweise für berührungsempfindliche Bildschirme und Solarzellen zu fertigen. Chemiker, Materialwissenschaftler und ein Ingenieur arbeiten eng zusammen, um neue Materialien zu entwickeln, die mit den wohlbekannten Methoden des Nassbeschichtens und Druckens verarbeitet werden können.

Publikationen:

• Gonzalez-Garcia et al., Procedia Eng., 2016, 141, 152-156. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.08.1120
• Reiser et al., Chem. Sci., 2016, 7, 4190-4196. DOI: 10.1039/C6SC00142D
• Reiser et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2016,18, 27165-27169. DOI: 10.1039/C6CP05181B
• Reiser et al., ACS nano, 2017, 11, 4934-4942. DOI: 10.1021/acsnano.7b01551
• Maurer et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 7838. DOI: 10.1021/acsami.5b02088
• Maurer et al., Nano Lett., 2016, 16, 2921–2925. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04319
• Maurer et al., Phys. Status Solidi A, 2016, 213, 2336–2340. DOI 10.1002/pssa.201532874
• Maurer et al., Adv. Mater. Technol., 2017, 482, 1700034. DOI: 10.1002/admt.201700034
• Maurer et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 7, 6079-6083. DOI: 10.1021/acsami.7b18579

Moderne Methoden der „Selbstanordnung“ erlauben es uns, aus Nanopartikeln auch größere Strukturen herzustellen, deren Geometrie zu einem gewissen Grad definiert ist. Das ist für Materialien sehr interessant: Zum Beispiel lassen sich so elektrisch leitfähige Metall-Nanopartikel in einer isolierenden Matrix anordnen, um die Leitfähigkeit zu maximieren oder zu minimieren, je nachdem, ob man ein Dielektrikum oder einen elektrischen Leiter benötigt.
Leider kommt dabei die Schwerkraft in die Quere: Größere Anordnungen von Metallpartikeln sind sehr filigran, aber schwer genug, um von ihrem eigenen Gewicht zerrissen zu werden, so dass beispielsweise die Konnektivität und damit Leitfähigkeit verloren geht. In Projekt ARNIM untersuchen wir mit Unterstützung des Deutschen Instituts für Luft- und Raumfahrt (DLR), ob man das durch Ausschalten der Schwerkraft verhindern kann. Dazu nutzen wir zunächst einen Fallturm (ZARM in Bremen) und „werfen“ Agglomerations-Experimente so, dass die Schwerkraft für wenige Sekunden aufgehoben wird. In Zukunft sind auch Experimente an Bord von Raketen oder der internationalen Raumstation geplant, die längere Agglomerationsversuche erlauben.
Stellt sich heraus, dass die Agglomerate tatsächlich von ihrem Gewicht zerstört werden, müssen wir sie verstärken – zum Beispiel durch Nutzung von Nanodrähten. Es könnte aber auch sein, dass es gar nicht die Schwerkraft ist, sondern Details des Agglomerationsprozesses. Diese Fragen stehen deshalb im Zentrum des Projektes.

Im Projekt NanoSpekt haben wir sinterfreie Hybrid-Tinten entwickelt, mit denen wir elektrische Leiter ohne Sintern auf empfindliche Oberflächen aufbringen können – auch auf Papier und Karton. In diesem Projekt erforschen wir in Kooperation mit der Papiertechnischen Stiftung (PTS), wie man diese Materialien verwenden kann, um RFID-Antennen für die berührungslose Identifikation von Verpackungen direkt auf Karton zu drucken.
Papier und Karton sind sehr wichtige, aber auch anspruchsvolle Substrate: Ihre Oberfläche ist porös, und beim Drucken dringt die Tinte ein, so dass die elektrische Leitung erschwert wird. Außerdem beginnt sich Papier zu wellen, wenn es zu stark erhitzt wird, und Kartons werden gefaltet, wodurch leitfähige Strukturen leicht beschädigt werden können. Deshalb untersuchen wir in dieser AiF-geförderten Kooperation, wie man die Verbindung zwischen Karton und Tinte stark genug gestalten kann – und wie man damit zusätzliche Funktionen in Schachteln einbauen kann, am besten direkt beim Hersteller.

Normalerweise benutzt man Komposite aus Elastomeren und leitfähigen Kohlenstoffpartikeln, wenn das Material leitfähig sein und bleiben soll. So werden beispielsweise antistatische Schuhsohlen oder Dichtungen hergestellt. Im DFG-geförderten Projekt AggloSense dagegen wollen wir das Gegenteil erreichen: maximale Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei Verformung.
Dazu untersuchen wir in Kooperation mit Professor Tanja Schilling von der Universität Freiburg, wovon die Leitfähigkeit solcher Komposite überhaupt abhängt. Kohlenstoffpartikel (sogenanntes „Carbon Black“) sind tatsächlich keine Kugeln, sondern sehr komplex geformte Agglomerate mit oft fraktaler Struktur. Im Material berühren sie sich auf schwer vorherzusagende Weise. Durch den Vergleich der Struktur gezielt hergestellter Materialien mit simulierten Anordnungen und Messungen der Leitfähigkeit mit und ohne Verformung wollen wir herausfinden, wie man die Änderung der Leitfähigkeit groß machen kann.

Eingebettete Nanopartikel verleihen heutigen Nanokompositen nützliche Eigenschaften wie Farbe, Festigkeit oder hohen Brechungsindex. Ihre Anordnung beeinflusst diese Eigenschaften, verändert sich aber für gewöhnlich nach der Herstellung nicht, weil die Partikel zu stark in die Matrix eingebunden sind. Wir erforschen Nanokomposite, in denen sich metallische Nanopartikel bewegen und die sich auf einen Stimulus reorganisieren können. Dadurch ändert sich beispielsweise die Farbe des Komposits. In diesem Projekt stellen wir Modell-Partikel her und untersuchen, wie sie so eingebunden werden können, dass sie eine gewisse Mobilität erhalten.

Dieses interdisziplinäre Projekt zielt auf die skalierbare Gewinnung mesenchymaler Stammzellen mithilfe neuer Trägermaterialien für ihre Vermehrung ab. Im Zusammenarbeit mit Zellbiologen, Biochemikern, Chemikern und Materialwissenschaftlern modifizieren wir die Oberflächen von Mikrokugeln so, dass die Zellhaftung verbessert wird, das Zellwachstum gefördert wird und die Zellen sich leicht von den Mikrokugeln ablösen können. Der materialorientierte Teil des Projektes erfordert die Oberflächencharakterisierung von Partikeln mit Durchmessern von etwa 100 µm und ihre anschließende Modifizierung mit Methoden wie Polymeraufpfropfen, Plasmaaktivierung und Veränderungen von Oberflächenrauheit und Ladung. Das Projekt wird vom „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung“ INTERREG gefördert.

Für gedruckte Elektronik sind neben leitfähigen Schichten auch dielektrische Schichten, z.B. für Kondensatorelemente, notwendig. Reine Polymerschichten weisen eine begrenzte Polarisationsfähigkeit im elektrischen Feld und somit eine relativ geringe dielektrische Konstante auf. Wir untersuchen hybride Schichten aus Gold-Nanopartikeln, die durch isolierende Liganden voneinander getrennt sind. Hier soll zum einen die Polarisationsfähigkeit des Hybridsmaterials und die dielektrische Konstante der Schicht durch die metallischen Partikel erhöht werden, zum andern ein Ladungstransport zwischen den Nanopartikeln und das Versagen der dielektrischen Schicht verhindert werden.

Die herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie die außerordentlich gute Schweißbarkeit niedriglegierter Stähle ist auf Karbonitrid-Nanopartikel zurückzuführen, die in den Stählen bei der Herstellung erzeugt werden.

In Kooperation mit der Dillinger Hütte, einem saarländischen Stahlproduzenten, untersuchen wir die chemische Zusammensetzung, Morphologie und Größenverteilung der im Stahl vorliegenden Partikel.  Die Partikelcharakterisierung erfolgt mit Methoden, die wir für Kolloide entwickelt haben. Diese statistisch relevanten Methoden werden bisher in der Metallographie wenig eingesetzt.

Publikationen

• Hegetschweiler et al., J. Mater. Sci., 2019, 54, 5813-5824. DOI: 10.1007/s10853-018-03263-0
• Hegetschweiler et al., Anal. Chem., 2019, 91, 943-950. DOI: 10.1021/acs.analchem.8b04012
• Hegetschweiler et al., Part. Part. Syst. Charact., 2021, 38, 2000236. DOI: 10.1002/ppsc.202000236
• Meili-Borovinskaya et al., J. Chromatogr. A, 2021, 1641, 461981. DOI: 10.1016/j.chroma.2021.461981
• Webel et al., Ultramicroscopy, 2021, 223, 113219. DOI: 10.1016/j.ultramic.2021.113219

Mischungen aus Nanopartikeln und Proteinen neigen dazu, hybride Agglomerate zu bilden. Wir interessieren uns für die Agglomerationsmechanismen und die Strukturen der entstehenden Agglomerate, um ihre Rolle in der Medizin, Ökologie und den Biomaterialien besser zu verstehen.

Formation Mechanism for Stable Hybrid Clusters of Proteins and Nanoparticles (ACS)
ACS NANO, DOI: 10.1021/acsnano.5b01043

Mit der Feld-Fluss-Fraktionierung kann man Partikel nach Größe trennen, aber die Methode leidet oft unter Partikelverlusten durch Adsorption und Agglomeration. Dieses AiF-ZIMM-Projekt (finanziell unterstützt durch das BMWi) will solche Verluste minimieren und FFF zu einer Standard-Methode machen, um Nanopartikel in Produkten, der Umwelt und in Lebensmitteln erkennen zu können.

• DOI: 10.1021/acsanalchem.6b02397

Digitale Bildplatten für medizinisches Röntgen basieren auf Keramiken. Dieses Projekt entwickelt unterstützt vom BMBF Röntgenbildplatten, die auf einem neuen Material aus leitfähigen Polymeren und anorganischen Partikeln bestehen. Die Partikel absorbieren und wandeln Röntgenphotonen um, die leitfähigen Polymere transportieren die entstehende Ladung zu Elektroden. Der Programmbereich Strukturbildung beschäftigt sich im Projekt hauptsächlich mit der Analyse der Kompositstrukturen aus Partikeln und Polymeren, der Entstehung der Struktur bei der Herstellung und ihren Effekten auf die Leistungsfähigkeit der Bildplatten.

• DOI: 10.1038/nphoton.2015.216
• DOI: 10.1016/j.orgel.2016.03.023

Wechselwirkungen treiben Partikel zur Agglomeration, Mobilität lässt sie diesem Antrieb folgen. Wir nutzen Fluidik und Synchrotron-Kleinwinkelstreuung (SAXS), um frühe Stadien der Agglomeration zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen uns dabei, die Bildung von Kompositen besser zu verstehen, geben Einblick in Kristallisationsprozesse und in Phänomene der Biomineralisation.

• Physical Review E
• Physical Review Letters

Nanopartikel, die in Emulsionstropfen gefangen sind, reagieren auf ihre räumliche Beschränkung je nach eingesetztem Tensid. Einige von ihnen ordnen sich in reguläre „Suprapartikel“ an, vollständig definierte Strukturen, die an Edelgaskondensate oder kleine Metallcluster erinnern. Wir untersuchen in diesem DFG-finanzierten Projekt, wie Nanopartikel miteinander und Flüssig-Flüssig-Grenzflächen wechselwirken. Tanja Schilling an der Universität Luxemburg verwendet Simulationen, um die Strukturbildung vorherzusagen und zu verstehen, wir erforschen sie experimentell.

• http://dx.doi.org/10.1039/C3SM52949E
• http://dx.doi.org/10.1021/nl3013659