Assembly heterogen geladener Nanopartikel - neue Wirkstoffen in regulärer Anordnung

Die Materialien der Zukunft werden nicht länger mit traditionellen Top-Down- Methoden hergestellt. Stattdessen erlauben zukünftige Materialien eine Selbstorganisation ohne eingehende menschliche Intervention. Die Anweisungen für das Assembly ergeben sich aus der Natur der Kräfte, die zwischen den Bausteinen herrschen. Zukünftige selbstorganisierte Materialien könnten in der Photonik (z.B. in optischen Computern), medizinischen Geräten und Sensoren Anwendung finden und werden die Genauigkeit und Zuverlässigkeit biologischer Selbstorganisation benötigen. In den vergangenen Jahren wurden viele neuartige mikroskopische Bausteine, sogenannte Kolloide, entwickelt. Einige dieser Module weisen "Flecken" auf, wodurch sie nicht in alle Richtungen gleich reagieren - vergleichbar mit Lego-Steinen. Diese Art von Modul nennen Wissenschaftler "Patchy Colloids". Die Herausforderung besteht darin herauszufinden, wie diese Bausteine interagieren, um sie so zusammenzufügen, dass der gewünschte Aufbau entsteht. In diesem Projekt werden wir eine alltäglich Art gerichteter Interaktion untersuchen, diebisherwenigAufmerksamkeit erfahren hat:Das Zusammenspiel heterogen geladener Partikel. Diese Interaktionen führen zu vielfältigem Verhalten, das nicht nur von der Richtung der Anziehung abhängig ist: auch die Abstoßung verhält sich anisotrop. Tatsächlich haben geladene Gebiete auf der Partikeloberfläche anziehende und abstoßende Gegenstücke: eine Besonderheit die dazu führt, dass sich diese Interaktionen als entscheidend für die völlige Kontrolle über den Selbstorganisationsprozess neuartiger Materialien erweisen könnten. Um den Gegensatz zu "normalen" sich anziehenden Patches hervorzuheben, werden heterogen geladene Partikel auch "Inverse Patchy Colloids" (IPC`s) genannt. In Computersimulationen hat sich gezeigt, dass diese IPC`s ein vielfältiges Assemblyverhalten an den Tag legen, das zu neuartigen Strukturen führt. Diese können entweder flach oder voluminös sein. Dieses Projekt hat einerseits die Produktion von Partikeln mit einer kontrollierten Anzahl von Patches an der Oberfläche zum Ziel und andererseits die theoretischen und experimentellen Untersuchungen ihrer kollektiven Selbstorganisation. Um diese Ziele zu erreichen, arbeiten drei Partner mit komplementärem Fachwissen zusammen und bilden das französisch-österreichische HotCHpot Konsortium. Gemeinsam werden Patchy Colloids in einem weiten Größenbereich produziert, charakterisiert und für experimentelle Interaktionsstudien verwendet. Der weit gestreute Größenbereich erlaubt die Anwendung sehr unterschiedlicher und komplementärer Techniken fürdieCharakterisierung des Selbstorganisationsverhaltens. Die experimentellen Daten werden mittels Computersimulation verglichen.

I 3577 HOTCHPOT New ordered materials through assembly of heterogeneously charged nanoparticles Wie kann man Teilchen so programmieren, dass sie sich wie gewünscht organisieren? Wir synthetisieren umgekehrt patchy (fleckige) Teilchen: abstoßende (geladene) kolloidale Teilchen mit abstoßenden (entgegengesetzt geladenen) Flecken an ihren Polen. Diese Flecken werden ihrerseits vom Rest der Teilchenoberfläche angezogen. Dies führt zu faszinierenden orientierungsabhängigen Anziehungs- und Abstoßungseffekten, die sich stark von denen zwischen konventionellen Teilchen mit Flecken unterscheiden. Wir haben uns vorgenommen, die Selbstorganisation der kollektiven Systeme zu untersuchen. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Fähigkeit von Atomen, gerichtete Bindungen mit einer begrenzten Anzahl von Nachbaratomen und nach einem vordefinierten Valenzschema zu entwickeln, auf der kolloidalen Skala zu reproduzieren. In der Praxis geht es darum, wissenschaftlich-technische Lösungen zu finden, um die Art und Weise, in der sich inverse flächige Teilchen zusammensetzen können, um Materialien mit einer (oder mehreren) präzisen Funktion(en) zu bilden, zeitlich und räumlich zu kontrollieren. Zu den möglichen langfristigen Anwendungen gehört die Herstellung von Materialien für die Optik oder Katalyse mit sehr genau definierten Strukturen, die durch einfaches Mischen von Lösungen "vorprogrammierter" Teilchen erreicht werden könnten: Jedes Elementarteilchen würde im Voraus "wissen", welche Arten von anderen Teilchen es neben sich haben sollte, um der endgültigen Struktur die erwartete Form und Funktion zu verleihen. Zu den wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen gehören: 1) die Synthese von inversen fleckigen Partikeln in reinen und kalibrierten Chargen, sowohl in Bezug auf die Größe als auch auf die Anzahl der Flecken, im Gramm-Maßstab; 2) ihr Zusammenbau mit der Entwicklung robuster Protokolle, die es den Partikeln ermöglichen, sich auf eindeutige Weise gemäß einer vordefinierten Stöchiometrie und Anordnung im Raum zusammenzusetzen; 4) numerische Experimente mit der Entwicklung vielseitiger Simulationswerkzeuge zur robusten und effizienten Nachahmung einer Vielzahl experimenteller Bedingungen, von der Dynamik unter Schwerkraft bis zur kolloidalen Epitaxie, und damit von quasi zweidimensionalen bis hin zu großvolumigen Bedingungen. Wichtige Ergebnisse: Unsere Arbeit hat zu bedeutenden Fortschritten bei der Herstellung von geladenen Teilchen mit entgegengesetzt geladenen Flecken geführt. Wir haben einen neuen Ansatz entwickelt, der auf gasförmigen Liganden basiert, um einen Teil der Partikeloberflächen chemisch zu modifizieren. Während der Entwicklung dieser Methode machten wir die zufällige Entdeckung eines weiteren Ansatzes, den wir Kontaktladungsdruck nennen. Wir waren die ersten, die die Durchflusszytometrie erfolgreich zur Charakterisierung und Reinigung von Patchy-Partikeln einsetzten. Die Reinheit oder die Ausbeute reichte jedoch noch nicht aus, um ihre Selbstorganisation zu untersuchen. Schließlich entwickelten wir eine robuste, vielseitige und effiziente Simulationsmethode.