Grüne Chemie trifft Nano

11.12.2014

Grüne Chemie trifft Nano

Neues Verfahren zur Herstellung von Nanoröhren aus Gold

Eine Doktorandin in den Materialwissenschaften stellt multifunktional einsetzbare Nanoröhren aus Gold her – mit Hilfe von Vitamin C und anderen harmlosen Substanzen.

From left: Professor Wolfgang Ensinger, Eva-Maria Felix, Dr. Falk Münch. Image: Sandra Junker
Erfolgreich im Experimentieren: Professor Wolfgang Ensinger, Doktorandin Eva-Maria Felix, Dr. Falk Münch (v.li.). Bild: Sandra Junker

Kaffee, Apfelsaft und Vitamin C: Was andere Leute täglich zu sich nehmen, ist für die Chemikerin Eva-Maria Felix Experimentiermaterial.

Die Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Professor Wolfgang Ensinger, Fachgebiet Materialanalytik, beschäftigt sich mit der Herstellung von Nanoröhren aus Gold. Sie scheidet das Edelmetall aus einer wässrigen Lösung auf einer vorbehandelten Folie mit vielen winzigen Kanälen ab. Die Kanäle geben die Form der Nanoröhren vor; die Folie wird anschließend aufgelöst. Die Technik an sich ist nicht neu, doch Felix hat sie modifiziert:

„Die dafür üblicherweise verwendeten Chemikalien waren mir einfach zu giftig.“ Auf Cyanid und Formaldehyd, auf Arsen- und Schwermetallsalze wollte sie lieber verzichten. Ein Fachartikel von Forschern, denen die Silberabscheidung mit Kaffee gelungen war, spornte sie an.

Mit Kaffee führte auch Felix ihre ersten Versuche durch. Doch mit dem dunklen Gebräu im Laborgefäß konnte sie die Reaktion nicht beobachten. Als nächstes testete sie Apfelsaft, dann Vitamin C. Das erschien ihr am besten geeignet, denn „bei Kaffee und Apfelsaft weiß man nie genau, was drin ist“. Vitamin C, im Fachjargon Ascorbinsäure, hingegen gibt es in reiner Form im Chemikalienhandel – die Voraussetzung für reproduzierbare Studien. Doch was hat das Vitamin mit der Abscheidung von Gold zu tun? Im Körper macht Vitamin C freie Radikale unschädlich, indem es Elektronen auf sie überträgt.

„Nach demselben Prinzip funktioniert auch die Goldabscheidung. Nur dass sich das Vitamin hier keine Radikale schnappt, sondern Goldionen“, erklärt Falk Münch, Postdoktorand und Betreuer der Dissertation von Felix. Die im Abscheidungsbad gelösten Goldionen wandeln sich durch die Elektronenaufnahme in metallisches Gold um.

„Das ist wirklich grüne Chemie“

Electrochemical cell for nanotube sensor application tests. Image: Sandra Junker
Elektrochemische Messzelle für Anwendungsversuche der Nanoröhren in der Sensorik. Bild: Sandra Junker

Für den Prozess sind noch weitere Chemikalien erforderlich. Alle sind jetzt so harmlos, dass Doktorvater Ensinger sagt: „Ich würde die Lösung des Abscheidungsbades trinken. Das ist wirklich grüne Chemie.“ Grün ist das Verfahren aber nicht nur wegen der ungiftigen Substanzen, sondern auch weil es bei Raumtemperatur und ohne äußere Stromzufuhr abläuft und so Energie spart. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind zudem keine teuren Geräte erforderlich. Die Folie mit den Nanokanälen wird lediglich in das Abscheidungsbad gelegt.

„Eigentlich unglaublich, dass man mit wässrigen Lösungen und einfachen Grundchemikalien so präzise Nanostrukturen produzieren kann“, findet Postdoktorand Münch. „Green meets Nano“ lautet der Leitspruch der TU-Forscher. Das einzige noch nicht grüne an dem Verfahren sei die als Vorlage verwendeten Folie, bemerkt Ensinger. Tests mit biobasierten Kunststoffen stehen zwar schon auf der Agenda, aber noch bestehen die Folien aus Polycarbonat, aus dem auch CDs gefertigt werden, oder aus Polyethylenterephthalat, kurz PET, bestens bekannt von Plastikflaschen für Getränke.

Um die formgebenden Mini-Kunststoffkanäle zu erzeugen, wird eine runde Folie mit einem Durchmesser von fünf Zentimetern senkrecht mit einem Ionenstrahl beschossen. Jedes Ion hinterlässt in der Folie eine geradlinige Spur, die anschließend zu einem feinen Loch, mikroskopisch betrachtet zu einem Kanal, aufgeätzt wird. Dessen Durchmesser lässt sich exakt einstellen – bis auf deutlich unter 100 Nanometer.

Die Goldnanoröhren sind daher einige hundert mal feiner als ein menschliches Haar. Ihre Wandstärke hängt sowohl von der Dauer der Abscheidung als auch von der Goldkonzentration der Ausgangslösung ab. Nach Auflösung der Folie erhält man – je nach Versuchsbedingung – eine Ansammlung einzelner Nanoröhren oder ein Array aus hunderttausenden miteinander verbundenen Röhren.


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Der Knackpunkt an der Technik: Um den Ionenstrahl zu erzeugen, braucht man einen Ionenbeschleuniger. Im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt finden die TU-Wissenschaftler den idealen Partner für ihre Forschung, doch für eine spätere kommerzielle Anwendung eignet sich der GSI-Großbeschleuniger schon aus Kostengründen nicht.

Der Goldpreis fällt nicht ins Gewicht

Gold coated Polycarbonat foil, background: electron microscopic picture of gold nanotubes. Image: Sandra Junker
Eine mit Gold überzogene Folien aus Polycarbonat; Hintergrund: Raster-Elektronen-Mikroskopie Aufnahme (REM) der synthetisierten Gold-Nanoröhren. Bild: Sandra Junker

Nach Alternativen haben sich die TU-Wissenschaftler bereits umgeschaut. Ein US-amerikanisches Unternehmen etwa produziert ähnlich durchlöcherte Folien mit kleineren Beschleunigern. „Die Folien sind nicht so wohldefiniert wie unsere, eignen sich aber auch“, sagt Münch. Zudem sind sie preiswert: eine ungefähr DIN A4-große Folie kostet nur wenige Euro. Der Goldpreis fällt laut Ensinger übrigens nicht ins Gewicht, da die benötigten Mengen klein sind: „Mit einem Gramm Gold könnten wir für jeden Erdenbürger eine Nanoröhre machen.“ Eine einzelne Röhre nützt zwar niemandem, aber auch für Mikrosensoren, Mini-Durchflussreaktoren oder andere potenzielle Anwendungen braucht man nur wenig Material.

Eine Einsatzmöglichkeit der Goldnanoröhren hat Ensingers Team bereits erfolgreich getestet: Sie eignen sich für den Bau von Sensoren zur Messung von Wasserstoffperoxid. Wasserstoffperoxid schädigt Nervenzellen und spielt vermutlich eine Rolle bei neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson. Sowohl in der medizinischen Forschung als auch in der Diagnostik wäre daher ein Mikrosensor praktisch, der Wasserstoffperoxid im Körper misst. Als Nachweisreaktion dient die durch Gold katalysierte Umsetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser. Dabei werden Elektronen frei – es fließt also ein gut messbarer elektrischer Strom.

„Bei geringen Konzentrationen ist die Stromstärke proportional zur Wasserstoffperoxid-Menge“, berichtet Münch. Die Goldnanoröhren leiten den Strom durch ihre eindimensionale Struktur besonders gut. Außerdem sind sie relativ lang und daher alterungsbeständiger als herkömmliche Nanopartikel. Letztere werden meist auf einem Träger fixiert, können sich aber mit der Zeit ablösen und zum Wandern neigen.

"Nano meets Life“ lautet das zweite Motto der TU-Materialforscher. Sie denken zum Beispiel auch an den Einsatz der Nanoröhren zur Messung von Blutzucker. „Ein subkutaner Sensor könnte Diabetes-Patienten ersparen, dass sie sich ständig in den Finger stechen müssen“, meint Ensinger. Auch hier punktet die grüne Herstellungsmethode, denn die Bauteile solcher Implantate sollten möglichst ohne giftige Chemikalien produziert werden. „Da schließt sich der Kreis“, betont der TU-Professor und fasst die beiden Leitsprüche zu einem zusammen: „Green meets Nano meets Life“.

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