Emmy Noether-Programm

Programmierbare Aggregation funktioneller 2D/3D Nanopartikelgitter
© André Gröschel

Die kontrollierte Aggregation von Nanopartikel zu Gittern mit 50-500 nm Abständen bleibt eine Herausfoderung. Um Nanopartikelgitter mit weitreichender Anordnung zu produzieren fehlt es an geeigneten Bausteinen im Nanobereich die sowohl eine geringe Größendispersität ausweisen, wie auch scharf definierte  gerichtete Aggregation (z.B. gesteuert durch Oberflächenmuster). Dieses Emmy Noether Projekt vereint Konzepte der Blockcopolymer-Synthese, der supramolekularen Selbstassemblierung und der suprakolloidalen Clusterbildung, um offene Nanopartikelgitter mit klar definierter Symmetrie zu schaffen. Das ultimative Ziel ist es, die spontane Bildung eines Diamant-Nanopartikelgitters im photonischen Bereich mit volller Bandlücke zu realisieren.
Um diese Ziele zu erreichen, synthetisieren wir ABC Triblock Terpolymere mit geeigneter Zusammensetzung, mit der sich die Anzahl an attraktiven Oberflächenpatches auf dem Nanopartikelkern steuern lässt. Diese Patches sind nicht mit dem Kern kompatibel und ordnen sich in geometrisch auf der Nanopartikeloberfläche an. Diese Geometrie steuert die Richtung der Aggregation, was zu Nanopartikelgittern mit definierten Symmetrien führen soll.

Selbstassemblierung von ABC Triblock Terpolymeren zu patchy Nanopartikeln und Kristallisation zum Diamantgitter.
© André Gröschel
  • Natürlicher photonischer Kristall mit ca. 5 cm Länge im Wert von 30 000 $ (Cairns, Australien)
    © André Gröschel

    Photonische Kristalle

    Photonische Kristalle finden sich vielfach in der Natur wieder (Muschelschalen, Vogelfedern, Pollia-Frucht, usw.), wobei das eingängigste Beispiel wahrscheinlich Opale sind. Opale sind natürlich vorkommende Edelsteine und bestehen aus Kieselsäure-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von 200-400 nm angeordnet zu einem regulären Gitter. Opale zeigen ein lebendiges Farbspiel und sind umso transparenter je weniger Defekte im Kristallgitter vorhanden sind (siehe Foto eines Edelsteins aus Cairns, Australien). Der wechselnde Brechungsindex zwischen Luft und Kieselsäure bewirkt eine Modulation des Lichts im sichtbaren Wellenlängenbereich und daher Reflexion definierter Wellenlängen und Farben. Da strukturelle (physikalische) Farben ein Ergebnis der Nanoarchitektur sind, verblassen sie niemals, anders als beispielsweise organische Farbstoffe (Photobleichen). Blockcopolymere haben gezeigt, dass Strukturfarben durch geordnete Morphologien, in der Regel Lamellenmorphologien, erzeugt werden können. Um Gitterparameter von 200-400 nm zu erreichen und den Raum auszufüllen, sind entweder sehr hohe Molekulargewichte erforderlich oder spezielle voluminöse Polymerarchitekturen (z.B. Polymerbürsten). Zusätzlich können anorganische Materialien in ausgewählten Domänen mineralisiert werden, um den vergleichsweise geringen optischen Kontrastunterschied von Polymeren zu verbessern (Brechungsindizes typischerweise n = 1,3-1,7).

  • Photonische Mizell-Kristalle. Foto einer Lösung mit photonischen Kristallen und zwei Kristalltypen in unterschiedlichen Winkeln. Fluoreszenzkonfokalmikroskopie-Bild zeigt FCC Gitter und Kryo-TEM zeigt Mizellen in hexagonaler Packung
    © André Gröschel

    Photonische Flüssigkeiten

    Blockcopolymer-Mizellen mit stark gestreckter Korona und sehr enger Größenverteilung dienen als Bausteine zur Bildung repsonsiver und reversibler photonischer Flüssigkeiten und photonischer Kristalle. In Form konzentrierter Gele (4wt.-%) zeigen Blockcopolymer-Mizellen zunächst eine leicht bläuliche Färbung mit zwischenpartikulären Abständen von ca. 150 nm. Dieser Abstand wird durch elektrosterische Abstoßung der hochgeladenen und gestreckten Korona definiert. Bei Verdünnung auf < 2wt.% wird die Partikelkonzentration reduziert und frei fließende Flüssigkeiten entstehen. Die Blockcopolymer-Mizellen nehmen einem deutlich größeren zwischenpartikulären Abstand von bis zu 300 nm ein. Der höhere Abstand geht mit einer Farbumstellung auf Grün und schließlich auf Rot einher. Die erhöhte Partikelmobilität ermöglicht das Wachstum millimetergroßer „schwebender“ photonischer Kristallite mit klassischem FCC-Gitter. Diese Kristallite weisen einen äußerst schmalen Bereich reflektierter Wellenlängen auf, mit einer spektralen Bandbreite von bis zu 1 nm. Dieses Konzept öffnet einen einfachen Weg für selbstassemblierte, responsive photonische Strukturen, der auf andere Polymer-dekorierte Nanopartikel übertragbar sein sollte. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit der Molecular Materials Gruppe in Aalto University (Finnland) und der Bio-inspired Photonics Gruppe in Cambridge (UK).