Nanopartikel im Fokus

Sketchnote zur Selbstorganisation von magnetischen Nanopartikeln auf Siliziumoberflächen
Sketchnote zur Selbstorganisation von magnetischen Nanopartikeln auf Siliziumoberflächen
Quelle: Prof. Dr. Katharina Theis-Bröhl

Prof. Dr. Theis-Bröhl forscht zur Selbstorganisation von magnetischen Nanopartikeln auf Siliziumoberflächen

Nanopartikel kann man zwar mit dem bloßen Auge nicht sehen, jedoch sind sie aus der Elektronik oder Medizin nicht wegzudenken. So ist es beispielsweise diesen kleinen Teilchen zu verdanken, dass durch eine andere Art der Datenspeicherung zukünftig noch mehr Fotos auf Speicherkarten passen oder dass eine Magnetfeldtherapie bei der Krebsbehandlung eingesetzt wird. Besonders interessant und relevant ist dabei die Selbstorganisation magnetischer Nanopartikel. Prof. Dr. Katharina Theis-Bröhl aus der Hochschule Bremerhaven forscht dazu am National Institute of Standards and Technology am Center for Neutron Research mit einem internationalen Team aus Forschenden. Im wissenschaftlichen Magazin der American Chemical Society (ACS) „Applied Materials & Interfaces“ veröffentlichte Prof. Theis-Bröhl, wie die Selbstorganisation von magnetischen Nanopartikeln an Oberflächen in Kontakt mit magnetischen Flüssigkeiten, sogenannten Ferrofluiden, funktioniert. Dazu hat sie Neutronenstreuexperimente mit einem internationalen Forscherteam durchgeführt.

„Allein die Vorbereitungen für ein solches Experiment sind aufwendig“, erzählt Prof. Theis-Bröhl. Zunächst wurden die benötigten Nanopartikel in den Sandia National Laboratories in Albuquerque angefertigt und geliefert. Diese Nanopartikel – in diesem Fall Eisenoxid – haben einen magnetischen Kern und eine Polymerhülle. Letzterer sorgt dafür, dass die sonst magnetischen Partikel sich abstoßen. „Das verwendete Substrat besteht dabei aus einem dicken Siliziumkristall, auf dessen Oberfläche eine ganz dünne Schicht APTES gedampft wird. Diese APTES-Schicht zieht die Partikel an“, erläutert die Forscherin. Nun kann das eigentliche Experiment beginnen: Zunächst werden die Partikel mit einer Kleinwinkelstreuung beschossen und gemessen. Daraus kann beispielsweise der Radius der einzelnen Partikel gemessen werden. Bei der Bestimmung der verschiedenen Schichten, die sich anordnen, hilft jedoch nur die Neutronenreflektometrie. „Die Messdaten dieser Methode geben uns als Forschende Auskunft, welche Partikel sich wo anordnen. Dafür wird die Streudichte gemessen“, so Prof. Theis-Bröhl.

Insbesondere die Auswertung und Interpretation der Messdaten erfordert viel Zeit. „Es kann nie zu einer hundertprozentigen Wahrscheinlichkeit gesagt werden, wie sich die Partikel verhalten werden, jedoch kann eine Tendenz vorhergesagt werden“, erklärt die Dozentin. Das gesamte Forschungsverfahren durchläuft mehrere Stationen: Die Sammlung der Daten, das Erstellen der Messkurven und „Anfitten“ eines Modells – also die Visualisierung von durchschnittlichen Messdaten – dauert mehrere Wochen. Die Ergebnisse geben dann Aufschluss, wie sich die Nanopartikel beispielsweise miteinander verketten oder anordnen.

„Am Ende der Forschung wird ein wissenschaftlicher Artikel verfasst und an Fachzeitschriften geschickt. Ich freue mich sehr, dass das ACS Applied Materials & Interfaces meinen Artikel veröffentlicht hat“, erzählt Prof. Theis-Bröhl. An der Hochschule Bremerhaven ist die Umsetzung so einer Forschung zum Beispiel dank Forschungsanträgen und -geldern möglich sowie hilfsbereiten Kooperationspartnern, wie Prof. Julie Borchers aus den Staaten, die Gastgeberin von Prof. Theis-Bröhl war. Im Sommer geht es für Prof. Theis-Bröhl wieder in die USA: In San Francisco stellt sie bei der International Conference on Magnetism (ICM) ihre Erkenntnisse aus der Forschung vor und teilt ihr Wissen mit anderen Forschenden. Zuvor ist sie bereits bei der International Conference Polarised Neutrons for Condensed-Matter Investigations 2018 (PNCMI) in Abingdon, UK.

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