Partikelchen formieren sich zu geordneten Strukturen

TU-Forscherinnen hoffen auf eine Klasse neuartiger Materialien

Wien - "Man kann sich diese Partikel wie winzige Kügelchen vorstellen, die an ihrer Oberfläche eine bestimmte Anzahl klebriger Andockstellen haben." So beschreibt Emanuela Bianchi vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien sogenannte "Patchy Colloids". Je nach Art und der Anzahl der Andockstellen bzw. "Patches" können sich diese Teilchen zu einer geordneten Struktur zusammenfügen - ähnlich wie einzelne Atome, die gemeinsam einen Kristall bilden. Eine Eigenschaft, die für die Materialforschung von Interesse ist.

Besonders interessant sind solche Strukturen für die Optik: "Wenn es gelingt, aus Kolloiden diamantartige Strukturen zu erzeugen, dann könnte man sogenannte photonische Kristalle herstellen", sagt Bianchi, die für ihre Forschungen mit einem Elise-Richter-Stipendium ausgezeichnet wurde. Mit solchen photonischen Kristallen könnte man Lichtwellen ganz gezielt manipulieren.

Schwierige Herstellung

Die Synthese solcher Patchy Colloids ist allerdings schwierig. Das Ausgangsmaterial dafür sind normalerweise gewöhnliche Kolloide: Partikel in der Größe von wenigen Nano- bis Mikrometern, die in einem mikroskopischen Trägermedium fein verteilt sind - wie etwa die winzigen Fetttröpfchen, die Milch undurchsichtig weiß erscheinen lassen. Um aus kleinen Partikeln Patchy Colloids zu machen, müssen sie an ihrer Oberfläche mit Andockstellen versehen werden. "Für diesen Prozess gibt es unterschiedliche Ideen, doch sie alle haben gemeinsam, dass sie sehr aufwändig sind und nur eine recht geringe Anzahl von Patchy Colloids hervorbringen", sagt Bianchi.

Möglicherweise läst sich aber das Prinzip der Selbstorganisation nutzen. Gemeinsam mit Barbara Capone von der Fakultät für Physik der Universität Wien forscht Bianchi nun an sogenannten Stern-Polymeren. Diese Strukturen bestehen aus vielen einzelnen Molekülketten, die sternförmig von der Mitte nach außen ragen. Wenn man Molekülketten mit passenden chemischen Eigenschaften wählt, dann fügen sie sich ganz von selbst zu Bündeln mit klebrigen Endpunkten zusammen. So werden sie zu Patchy Colloids, ohne dass man ihre Oberfläche von außen speziell manipulieren müsste.

Wie sich diese Polymerketten aneinanderkleben und wie die sternförmigen Strukturen zu diesen speziellen Kolloidteilchen werden, wird nun in Computersimulationen untersucht. Ein aufwändiges Unterfangen, das sich von der molekularen Ebene bis in den makroskopischen Bereich erstreckt. Wenn diese Grundlagenforschung eines Tages aber zu einer ganzen Klasse neuartiger Materialien führt, wie die Forscherinnen hoffen, hat sich die Mühe gelohnt. (red, derStandard.at, 3. 11. 2012)