Nanoteilchen ordnen sich selbstständig zu komplexen Strukturen - Kontrolle über äußere Magnetfelder

Blume aus Nanopartikeln

Durham (USA)/Amherst (USA) - Wie Gänseblümchen sehen die komplexen Strukturen aus, die amerikanische Forscher kontrolliert aus Nanopartikeln geschaffen haben. Dabei mussten die Bestandteile nicht einzeln und mühselig mit den Spitzen von Rasterkraftmikroskopen angeordnet werden - stattdessen lagerten sie sich völlig selbstständig zusammen. Diese Methode, die die Wissenschaftler in der Zeitschrift "Nature" vorstellen, ist ein weiterer Schritt hin zur Massenproduktion von funktionellen Nanostrukturen, die für neue Schaltkreise, Datenspeicher oder hoch empfindliche Sensoren genutzt werden könnten.

"Die Strukturen ordnen sich durch die magnetostatischen Kräfte zwischen diamagnetischen und paramagnetischen Teilchen an", erklären Benjamin Yellen von der Duke University in Durham und seine Kollegen von der University of Massachusetts in Amherst. Dabei spielt die richtige Mischung der verschiedenen, weniger als ein Millionstel Meter kleinen Partikel in einer wässrigen Lösung mit fein verteilten Eisenoxiden eine wichtige Rolle. Je nach Konzentration lagern sich so mehr oder wenige "Blütenblätter" um ein zentrales Nanoteilchen an. In einem äußeren Magnetfeld richteten sich magnetische Nanoteilchen entlang der Feldlinien aus. Andere, diamagnetische Teilchen dagegen wurden von den wirkenden Kräften abgestoßen. "Winzige Änderungen der Magnetisierung der Flüssigkeit ermöglichen eine Umgebung, in der sich verschiedene Teilchen selbstständig zur komplexen Superstrukturen anordnen können", sagt der beteiligte Nanoforscher Randall Erb.

Durch dieses Zusammenspiel sind nicht nur Blümchenstrukturen, sondern auch andere rotationssymmetrische Anordnungen möglich. Eine der Nanostrukturen erinnert so an die Ringe, die den Planeten Saturn umgeben. Haben sich die Partikel einmal im Magnetfeld angeordnet, lassen sich die Gebilde mit weiteren Chemikalien miteinander verkleben. Technische Anwendungen haben diese ersten Labormuster zwar nicht. Doch nun lässt sich diese selbstständige Strukturierung mit Magnetfeldern auf viele ferro-, dia- und paramagnetische Substanzen erweitern. Das Ziel: Ein kontrollierbares Verfahren, um günstig aus einer Flüssigkeit heraus Nanostrukturen für Datenspeicher oder Sensoren in Serie zu produzieren.