Nanofasern und Nanoröhrchen - Max-Planck-Institut für ...

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POLYMERFASERN | NANOTECHNOLOGIE dungen in der Medizin werden gegenwärtig intensiv erforscht. Insbesondere in den USA steht die Entwicklung von Schutzkleidung gegen chemische und biologische Kampfmittel im Brennpunkt des Interesses: Nanofaser-Gewebe, ausgerüstet mit Enzymen oder allgemein mit Katalysatoren, die gefährliche Stoffe herausfiltern und unschädlich machen, werden intensiv untersucht. Nanoröhrchen aus Polymeren Die Herstellung wohldefinierter Nanoröhrchen mit spezifischen, unter Umständen komplexen Wandarchitekturen aus organischen Polymeren sowie anderen Funktionsmaterialien und Materialkombinationen ist nach wie vor eine wissenschaftliche Herausforderung. Im Folgenden werden zwei auf der Verwendung von Templaten basierende Verfahren vorgestellt, die sich in idealer Weise ergänzen. Mit ihnen gelingt es, die Durchmesser von Polymer-Nanoröhrchen innerhalb eines mehrere Größenordnungen umfassenden Bereichs frei wählen zu können. Komplex aufgebaute Röhrchenwände lassen sich realisieren, und die Röhrchen können in definierter Weise in Überstrukturen angeordnet werden. Sowohl Membranen aus parallel angeordneten Röhrchen mit definierten Achsenverhältnissen als auch großflächige und mechanisch stabile stoffartige Gewebe sind zugänglich. Das eine Verfahren, der TUFT-Prozess, beruht auf der Beschichtung von Templatfasern [9,14]. Das zweite Verfahren stützt sich auf die Benetzung von porösen Templaten [15-17]. In beiden Fällen kann das Templat nach der Röhrchenbildung selektiv entfernt werden. Das TUFT-Verfahren (Tubes by Fiber Templates): Röhrchen über Fasertemplate Abbaubare oder selektiv lösliche Polymerfasern mit Durchmessern von weniger als 10 nm bis zu einigen Mikrometern, die durch Elektrospinnen sehr kontrolliert herstellbar sind, können mit einer Vielzahl unterschiedlicher Wandmaterialien beschichtet werden. Diese wiederum bleiben nach dem Entfernen der Templatfasern erhalten und lassen sich weiter funktionalisieren. (Abbildung 11). Alle Schritte eignen sich im Prinzip für einen industriellen Prozess. Der erste Schritt des Verfahrens ist die Herstellung der Templatfasern, die die Form, den Querschnitt und die Oberflächenstruktur auf der Innenseite der späteren Röhre vorgeben. Dies geschieht vorzugsweise mittels Elektrospinnen. male Stammzellen Abb. 9 Mesenchy- Im zweiten Schritt wird das Mantelmaterial des zu erzeugenden Röhrchens auf die Templatfasern aufgebracht. Hierlaktid-Nanofasern wachsen auf Poly- (ausgerüstet mit zu eignen sich bekannte Verfahren wie Tauch-, Aufschleuder- und Sprühmethoden. Sehr vorteilhaft kann eine Be- ein erster Schritt Calciumcarbonat), schichtung aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition) in Richtung auf sein, weil sie im allgemeinen in sehr definierter Weise verläuft, die Oberflächentopologie der Templatfasern sehr Knochen [13]. das Züchten von genau reproduziert, und Verunreinigungen wie etwa Lösungsmittel vermieden werden. Die Beschichtung mit dem Polymeren Polyparaxylylen (PPX) beispielsweise geschieht über die Pyrolyse des Ausgangsstoffes [2,2]-Paracylophan, dem Transport des gebildeten flüchtigen Monomeren über die Gasphase und dessen Abscheidung auf der Faser unter sehr milden Bedingungen, gefolgt von einer spontan einsetzenden Polymerisation (Abbildung 12). Schließlich wird die Templatfaser selektiv entfernt. Dies geschieht durch Pyrolyse, wenn sich der Kunststoff, aus dem die Templatfaser besteht, bei hohen Temperaturen leicht in flüchtige Grundbausteine zersetzt. Tempern bei 250 o C führt beispielsweise zum vollständigen Abbau von Polylactid. Polyamide oder Polyethylenoxid lassen sich mit einem Lösungsmittel selektiv extrahieren. Ein biologischer Abbau kann ebenfalls zum Ziel führen. Abbildung 13 zeigt Polymerröhrchen, die mit dem TUFT-Verfahren hergestellt wurden. Die so erhaltenen Nanoröhrchen lassen sich weiter funktionalisieren. An der Innen- oder Außenwand können chemisch selektiv funktionelle Gruppen eingeführt wer- ABB. 11 | TUFT-VERFAHREN
ABB. 12 | BESCHICHTUNG DURCH PYROLYSE somit praktisch beliebige Kompositstrukturen präparierbar sein sollten. Prinzip der Beschichtung mit Polyparaxylylen (PPX) durch Pyrolyse des Ausgangstoffes [2,2]- Paracylophan. Abb. 13 Feinstes Polymerröhrchen, hergestellt nach dem TUFT- Verfahren. > Abb. 14 Nanoröhrchen aus Titandioxid (a,b) und Chrom (c). den. In die Wände lassen sich farbige Pigmente oder Nanopartikel einbauen, die die elektrische Leitfähigkeit oder die magnetischen Eigenschaften modifizieren. Wenn die Oberfläche der Röhrchen Noppen oder Poren aufweist, ermöglicht dies die Kontrolle des Benetzungsverhaltens oder des Materietransportes durch die Röhrchenwände. Auf den Templatfasern lassen sich neben Polymeren auch Metalle oder anorganische Gläser abscheiden (Abbildung 14). So wurden bereits Röhrchen aus Aluminium, Palladium, Platin, Titandioxid und Glas erzeugt. Die Dimensionierung und Strukturierung der Röhrchen wird durch die Templatfasern eingestellt. Durch sequentielle Beschichtung der Templatfasern, etwa durch sukzessive Bedampfungsschritte, lassen sich komplexere Multischichtröhrchen aus den unterschiedlichsten Materialkombinationen herstellen. Beispielsweise sind Hohlfasern mit einer inneren Metallwand und einer äußeren Polymerwand zugänglich [9]. Um Nanokabel zu erhalten, werden Polymere, die metallorganische Verbindungen wie Palladiumacetat enthalten, zu Nanofasern versponnen und beschichtet. Die Temperung bei höheren Temperaturen bewirkt in einem Schritt sowohl die Bildung von Metallnanopartikeln durch Zersetzung der metallorganischen Spezies als auch das selektive Entfernen der Templatfaser (Abbildung 15). Die TUFT- Methode ist noch sehr ausbaufähig, da im Prinzip alles auf allem abgeschieden werden kann und Mesoporöse Template Der größte Vorteil des sehr flexibel einsetzbaren TUFT-Verfahrens ist die technologisch äußerst bedeutsame Möglichkeit, großflächige Nanoröhrchengewebe herzustellen. Trotzdem ist es nicht für alle Problemstellungen geeignet. Will man Nanoröhrchen als Bauteile mit spezifischen elektronischen und photonischen Eigenschaften in miniaturisierte Funktionseinheiten integrieren, müssen sie genau definierte Durchmesser und Längen besitzen. Für andere Anwendungen, etwa in den Bereichen Katalyse und Photovoltaik, wäre es vorteilhaft, sie genau parallel in den Poren einer sie fixierenden Membran auszurichten. Dies lässt sich mit einem von C.R. Martin eingeführten Verfahren erreichen: der Templat-Synthese [7]. Die Nanoröhrchen werden dabei in den Poren eines nanoporösen Materials synthetisiert. Die Poren wirken als Schablone und die Röhrchen sind deren Repliken. Diese Methode kann dazu verwendet werden, poröse Membranen zu funktionalisieren. Werden die Porenwände mit geeigneten Materialien beschichtet, können diese als Batterien oder chemisch hochspezifische Filter dienen. Die Templat-Methode besitzt den großen Vorteil, dass die Schablonen aus Materialien hergestellt werden können, die leicht nanostrukturierbar sind. Die Abmessungen der Poren können nahezu frei gewählt werden. Mesoporöse Strukturen mit Porendurchmessern zwischen zwei und 50 Nanometern sowie makroporöse Strukturen mit Porendurchmessern zwischen 50 Nanometern und wenigen Tausendstel Millimetern sind durch Selbstorganisationsprozesse zugänglich. Auch lithographische Methoden können zur Erzeugung der Poren mit Durchmessern herab bis zu wenigen 100 Nanometern eingesetzt werden, wobei diese Poren dann besonders regelmäßig angeordnet sind. Ein Beispiel hierfür ist die in Abbildung 16 abgebildete Struktur aus porösem Aluminiumoxid, die durch elektrochemisches Ätzen in ein mittels Nanoimprint-Lithographie vorstrukturiertes Aluminiumsubstrat erhalten wurde [18]. Das Templat kann auch selektiv entfernt werden, so dass die dann freien Nanoröhrchen in Pulverform vorliegen. 32 © 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 26 – 35 |
Seite 1 und 2: Bausteine aus Polymeren fasern und
Seite 3 und 4: a) Ein Tropfen einer Polymerlösung
Seite 5: Abb. 7 a) Prinzip: Zwei verschieden
Seite 9 und 10: Abb. 18 Nanoröhrchen aus Polystyro

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