Je nach elektrischer Ladungsverteilungen der Teilchenoberfläche und Ladung der Umgebung organisieren sich die Partikel zu regelmäßigen, kristallinen Strukturen oder ...
... zu unregelmäßigere Strukturen, mit unterschiedlich großen, ineinander verwobenen Ringen.
Wien - Die Herstellung von Strukturen aus winzigen Teilchen hat sich in der Nanotechnologie als ziemlich schwierig herausgestellt. In einigen Fällen jedoch bauen sich die Nanoteilchen ganz von selbst zur gewünschten Struktur zusammen. Wiener Physiker haben das Phänomen einer derartigen Selbstorganisation nun anhand von Partikeln untersucht, deren Oberfläche eine ungleichmäßig verteilte elektrische Ladung trägt. Abhängig von verschiedenen externen Parametern können diese Partikel ungeordnete, gel-artige oder kristallähnliche Strukturen bilden.
Die winzigen Partikel sind höchstens wenige Mikrometer groß - eine Dimension, in dem sich auch Viren oder kleine Bakterien bewegen. Mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation der Teilchen, deren Oberfläche großteils negativ geladen ist, deren beiden Enden (Pole) allerdings jeweils positive Ladungen aufweisen, setzte sich das Forschungsteam um Emanuela Bianchi vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität (TU) Wien in Computersimulationen auseinander. Diese besondere Struktur macht sie für Einflüsse von außen anfällig.
"Nachdem die Pol-Bereiche alle gleich geladen sind, stoßen sie einander ab. Bringt man zwei solche Teilchen in Kontakt, dann richten sie sich so aus, dass der Pol des einen Partikels genau zum Äquator des anderen Partikels zeigt", so Bianchi. Am Computer untersuchten die Forscher der TU und der Universität Wien nun, wie sich sehr viele dieser Teilchen verhalten, wenn sie zwischen zwei horizontalen Platten eingesperrt sind.
Unordnung, Gel oder Kristall
Dadurch sind sie nämlich gezwungen, eine quasi zweidimensionale Struktur zu bilden. Unter diesen Voraussetzungen bilden die Partikel entweder eher ungeordnete Gel-Strukturen mit aneinander hängenden Ringen aus fünf oder sechs Teilchen oder eine dicht gepackte sechseckige Kristallstruktur. Den Einflussfaktoren, die zu solch unterschiedlichen Anordnungen führen, konnten die Forscher mit ihrem Modell nachgehen.
Eine Ursache liegt in der Verteilung der magnetischen Ladungen auf der Partikeloberfläche. Verläuft die Grenze zwischen negativer und positiver Ladung am 60. Breitengrad der Kügelchen, dann ist das Ergebnis weit ungeordneter, als wenn diese Grenze weiter innen, nämlich am 45. Breitengrad, verläuft. Außerdem stellte sich heraus, dass die Selbstorganisation relativ einfach beeinflusst werden kann, indem die Platte, auf der die Partikel zum Liegen kommen, elektrisch aufgeladen wird. Das berichteten die Wissenschafter in der Fachzeitschrift "ACS Nano".
Je besser diese Phänomene verstanden werden, desto einfacher könne man Teilchen erzeugen, die sich quasi maßgeschneidert in gewünschter Weise in größeren Strukturen selbst organisieren. Da sie in Abhängigkeit ihrer Dichte unterschiedlich auf äußere Einflüsse wie elektromagnetische Felder reagieren, sei etwa der Aufbau von Filtern mit unterschiedlicher Durchlässigkeit denkbar. Anwendung könnten solche Materialen beispielsweise in der Biomedizin finden, so Bianchi. (APA/red, derStandard.at, 4.2.2014)