Von Bläschen zu Käpselchen

Herstellung von Siliciumdioxid-Nanokapseln durch Aufschäumen von Polymeren mit überkritischem Kohlendioxid.

Nanokapseln sind Hohlkörper mit Durchmessern im Nanometer-Bereich und sehr dünnen Hüllen, die ein winziges Flüssigkeitsvolumen speichern und ihre Fracht verlustfrei und geschützt durch ein fremdes Medium transportieren können. Zum Beispiel durch die Blutgefäße des menschlichen Körpers. In der Technik werden Nanokapseln darüber hinaus zum Einkapseln von Duftstoffen, Druckfarben oder Klebstoffen verwendet. Am Zielort lässt sich diese Fracht dann durch Druck oder Reibung freisetzen. Japanische Forscher haben nun eine neue, pfiffige Methode zur Herstellung von Nanokapseln aus Siliciumdioxid entwickelt: Ausgangspunkt sind winzige Kohlendioxid-Bläschen in einem Silikon-Copolymer.

Lei Li und Hideaki Yokoyama beschichten Silizium-Wafer, die als Träger dienen, mit dünnen Filmen aus einem speziellen Kunststoff, dessen Moleküle aus einer Polystyrol- und einer Silikondomäne aufgebaut sind, einem so genannten Block-Copolymer. Die Copolymer-Filme der Forscher sind so aufgebaut, dass nanoskopische "Tröpfchen" aus Silikon in einer Matrix aus Polystyrol "schwimmen". In diesen Film wird unter erhöhtem Druck und bei 60 °C überkritisches Kohlendioxid (CO₂) eingepresst. (Bei einem überkritischen Fluid kann nicht zwischen Flüssigkeit und Gasphase unterschieden werden.) Das CO₂ lagert sich dabei in die Silikon-Tröpfchen des Block-Copolymers ein und bildet Bläschen. In die Polystyrol-Matrix kann es dagegen nicht eindringen. Im nächsten Schritt kühlen die Wissenschaftler den Film auf 0 °C ab, um die Polystyrol-Matrix einzufrieren, und senken dann den Druck langsam auf Atmosphärendruck ab. Das CO₂ wird gasförmig, dehnt sich aus - und kann aus den Bläschen entweichen, ohne dass diese kollabieren. Anschließend setzen die Forscher den Polymer-Film Ozon und UV-Licht aus. Unter diesen Bedingungen wird die Polystyrol-Matrix vollständig zersetzt. Das Silikon, das die Bläschen umhüllt, wird zu Siliciumdioxid (SiO₂, "Kieselsäure") oxidiert. Auf diese Weise entsteht auf dem Träger ein dünner Film aus dicht gepackten, winzigen Hohlräumen mit einer feinen Hülle aus Siliciumdioxid. Diese Nanokapseln haben Durchmesser von weniger als 40 Nanometern und etwa 2 Nanometer dicke Wände.

Der besondere Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die erhaltenen Nanokapseln in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet sind, die über die Wahl der Domänen des Block-Copolymers gezielt variiert werden kann.

Quellen und weitere Informationen:

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