Transcript Nanotechnologie ?

Nanotechnologie
Was ist das ?
Nanotechnologie
• Technologische Verfahren zur
Herstellung nanostrukturierter
Materialien mit speziellen
Eigenschaften und deren
Anwendung
Herstellung monodisperser
Nanopartikel (bzw. Nanokristalle)
• über Zerkleinerungsprozesse
• über gezielte Aufbaureaktionen
Verfahren zur Herstellung von
Nanopartikeln
• Partikelbildung aus der Gasphase
• Partikelbildung aus Tropfen
• Sol-Gel-Prozesse
Partikelbildung aus der Gasphase
(Aerosolverfahren)
• Partikelbildung durch chemische Reaktion
des Precursorgases oder rapide Abkühlung
eines übersättigten Gases
• Partikelwachstum durch Kollision mit
Produktmolekülen (Kondensation) und/oder
Partikeln (Koagulation)
Aerosolverfahren
•
•
•
•
Reaktion im Flammenreaktor
Reaktion im Plasmareaktor
Reaktion im Laserreaktor
Reaktion im Heißwandreaktor
Partikelbildung im Flammenreaktor
(Aerosolverfahren)
• Synthese von Submikropartikeln:
- Titandioxid (TiO2)
- Silika (SiO2)
- Ruß (carbon black)
Verfahren zur Herstellung von
Nanopartikeln
• Partikelbildung aus der Gasphase
• Partikelbildung aus Tropfen
• Sol-Gel-Prozesse
Partikelbildung aus Tropfen
• Mit Hilfe von Fliehkraft, Druckluft, Schall,
Ultraschall, Vibrationen
• Partikelbildung durch direkte Pyrolyse oder
durch in-situ-Reaktionen
Sprühtrockenverfahren
•
•
•
•
•
Tropfenbildung
Verdampfen des LSM
Kristallisationsinitialisierung
Verdampfen des LSM
Kristallisation
Gefriertrocknungsverfahren
• Tropfenbildung in einem Kühlmittel (z.B.
flüssiger Stickstoff)
• Gefrierprozeß
• Trocknung
Verfahren zur Herstellung von
Nanopartikeln
• Partikelbildung aus der Gasphase
• Partikelbildung aus Tropfen
• Sol-Gel-Prozesse
Sol-Gel-Prozesse
• Fällung von Substanzen aus Lösung
• Schrittweises Wachstum von kristallinen
oder amporphen Primärpartikeln (Keimen)
zu Agglomeraten
G
Gmax
n>nc
spontaneous
propagation
0
nc
number of molecules (n)
concentration
Cmax - critical limiting
supersaturation
Nucleation period
Cmin - nucleation
concentration
growth period
t1
La Mer Diagramm
t2
time
Keimbildungsprozess
Durch die Bildung der Keime wird die
Übersättigung verringert
- Bleibt die Übersättigung dabei hoch
(oberhalb der minimalen
Keimbildungskonzentration)
entstehen  polydisperse Teilchen
- Sinkt die Übersättigung dabei innerhalb
kürzester Zeit unter die minimale
Keimbildungskonzentration
entstehen  monodisperse Teilchen
Voraussetzungen für die Bildung
monodisperser kolloidaler Dispersionen
ausreichende Übersättigung
(Bildung vieler Keime in kurzer Zeit)
Verdünnte Lösungen
(Materialvorrat geht rechtzeitig zu Ende)
Reduktionsmittel zur Herstellung
von Gold-Nanopartikeln
• Organische Reduktionsmittel: Tannin,
Natrium-Zitrat
• Anorganische Reduktionsmittel: NaBH4
• Polyelektrolyte: PAA, PEI, Polyampholyte
Verwendete Polyelektrolyte
Anionic polymers:
Polyampholytes:
Cationic polymer:
Conclusions
 We can produce gold nanoparticles smaller than 20 nm in size:
• With cationic PEL
• With anionic PEL
• With amphoteric PEL
of quite different surface charge and hydrophobicity !
References:
J. Koetz, S. Kosmella: Polyelectrolytes and Nanoparticles Springer Verlag Berlin Heidelberg (2007)
(Book)
C. Note, J. Koetz, L. Wattebled, A. Laschewsky: Effect of a new hydrophobically modified polyampholyte on the formation
of inverse microemulsions and the preparation of gold nanoparticles
J. of Colloid and Interface Sci. 308 (2007) 162-169
C. Note, S. Kosmella, J. Koetz
Poly(ethyleneimine) as Reducing and Stabilizing Agent for the Formation of Gold
Nanoparticles in w/o Microemulsions
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 290 (2006) 1-3, 150-156
C. Note, J. Koetz, S. Kosmella, B. Tiersch
Hydrophobically modified polyelectrolytes used as reducing and stabilizing agent for the
formation of gold nanoparticles
Colloid & Polymer Science 283 (2005) 1334-1342
Herstellung von GoldNanopartikeln in Templatphasen
• In Mikroemulsionen
• An Vesikeloberflächen
Gold nanoparticles formed in nanocapsules
+ NaBH4
HAuCl4
Au
heating up to 80°C
in presence of AIBN
Au
S. Lutter, J. Koetz, B. Tiersch, A. Boschetti-de-Fierro, V. Abetz
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 329 (2008) 169-176
Gold nanoparticle formation at the
surface of mixed phospholipid vesicles
New Fields of Application
 Nanotechnology in Batteries
 Nanotechnology in the Life Sciences
 Nanotechnology in solar cells
• Q-dots used for Cu detection
Quantum Dot Sensitized Solar
Cells
Biosensor Application
Human Sulfite Oxidase
Moco domain
b5-type heme domain
44
M. Sezer et al. Phys Chem Chem Phys. 12 (2010) 7894-7903
Biosensor
applications
Modification:
• mercaptoundecanoic acid (MUA)
• mercaptoundecanol (MU)
SO3-2
• AuNPs-PEI
• human sulphite oxidase (hSO)
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SO4-2
Different sulfite concentration
20
I / nA
15
r2= 0.979
10
5
0
10
20
-2
46
SO3 
30
40
Conclusions
• hSO shows a direct electron transfer
and a high catalytic current after
immobilization on Au electrode
modified with AuNPs-PEI
• Linear
current
concentration
dependency between 2-20 M [SO32].
47