Projektbereich C: Nanopartikel und Nanomaterialien

Vorrangiges Ziel des Projektbereichs C ist es, Potentiale für den Einsatz von Nanostrukturen als Funktionselemente zu entwickeln unter Verwendung neuartiger nanostrukturierter Partikel und Materialien. Daher stehen hier die gezielte Synthese und die funktionellen Eigenschaften einzelner Nanopartikel und kompakter Nanomaterialien, welche eine innere Nanostrukturierung aufweisen, im Vordergrund. Insofern befasst sich dieser Projektbereich mit neuartigen Fragestellungen im Bereich des Nanomagnetismus, NanoEngineering und der NanoBiotechnologie. Für die Herstellung und die Bestimmung der physikalischen und (bio-)chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln und nanostrukturierten Materialien liegen an den einzelnen Standorten weitreichende Kompetenzen vor, die durch die standortübergreifende Vernetzung effizient und kurzfristig vielversprechende neue Forschungsergebnisse erwarten lassen, auch durch die Vernetzung mit den Projektbereichen A und B.

Die Eigenschaften von Nanostrukturen hängen sowohl von den Eigenschaften der einzelnen nanometergroßen Bereiche, die sie aufbauen, als auch von den Grenzflächeneigenschaften zwischen diesen Bereichen ab. Neben den »trivialen Effekten«, dass beide Strukturkomponenten entsprechend ihrem Volumenanteil die Eigenschaften der Nanostrukturen beeinflussen, hängen die Beiträge der kristallinen Bereiche im Allgemeinen von Dimensions- und Dimensionalitätseffekten ab. Vergleichbares gilt für die Grenzflächenbeiträge: abhängig vom Weg, auf dem eine Nanostruktur synthetisiert wurde, können – bei vergleichbaren Mikrostrukturen – die Eigenschaftsbeiträge der Grenzflächen – je nach Herstellungsbedingungen – um Größenordnungen verschieden sein. Diese Verschiedenheit rührt primär von der Abhängigkeit der atomaren Struktur der Grenzflächen vom Syntheseweg her. Der Fokus des Projektbereichs ist daher, durch kontrollierte Einstellung der Nanostruktur, die funktionellen Eigenschaften der Materialien besser verstehen zu lernen und weiterhin zu optimieren.

Aufgrund von Wegberufungen bzw. der Emeritierung verschiedener Teilprojektleiter und Neuberufungen von Wissenschaftlern wird sich die Zusammensetzung und Struktur in der folgenden Förderperiode ändern. Daher werden die beiden Teilprojekte C1 und C3 aus der ersten Förderperiode eingestellt. Zwei ganz zentrale Projekte sollen weitergeführt werden, nämlich C2 im Bereich des Nanomagnetismus und C5 im Bereich biologischer Template. Die Teilprojekte, die keine Förderung in der ersten Förderphase erhielten, werden eigenständig außerhalb des Kompetenznetzes weitergeführt.

Damit ergibt sich die Möglichkeit einer aktiven Neustrukturierung des Projektbereichs C, um die gesteckten Ziele zu erreichen und außerdem ingenieurwissenschaftlich orientierte und biotechnologische Aspekte stärker zu berücksichtigen. Die beiden Grundvoraussetzungen für hohe Erfolgschancen bei diesen Untersuchungen sind: (1) Die Möglichkeit zur Synthese einer gut charakterisierten und reproduzierbar erzeugbaren Mikrostruktur und (2) die Auswahl von »Modelleigenschaften«, bei denen die physikalischen Grundlagen ihrer Beeinflussung durch die Mikrostruktur bekannt und genau messbar sind.

Folgende Synthesemethoden stehen weiterhin zur Verfügung und werden weiterhin genutzt: Gasphasenpräparation von Schichten und Clustern in C2, sowie Tabakmosaikviren als Biotemplate für anorganische Nanodrähte und Nanoröhren in C5. Darüber hinausgehend werden neuartige Ferrofluide basierend auf der Infiltration nanoporöser Template (C8) und magnetische Schichten und Legierungen durch selbst-organisierte Kolloidmonolagen (C9) entwickelt. Magnetische oxidische Halbleiter können durch Magnetronsputtern und Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden (C10) und neuartige Methoden der Elektrodeposition werden genutzt zur Herstellung nanoporöser Strukturen (C12). Im Bereich der biomedizinischen Anwendung sollen nanopartikuläre Strukturen – sog. Nanocytes – bestehend aus einem polymeren Kern, an den Tumor-Nekrose-Faktor (TNF)-Moleküle konjugiert sind, für die Immuntherapie von Krebserkrankungen (C11) untersucht werden.

Im Vordergrund der geplanten Eigenschaftsuntersuchungen stehen magnetische Wechselwirkungen in Ferromagneten, sowie der Ladungsaustausch in nanoskaligen Porenstrukturen mit extrem hohen spezifischen Oberflächen, die auch für die technische Anwendung von Bedeutung sind. Abgerundet wird dieser Projektbereich durch die Arbeiten im Bereich der Nano-Biotechnologie. Die beiden Gründe für die Wahl dieser "Modelleigenschaften" sind folgende. Grundsätzlich ist es so, dass immer dann Nanostrukturen neuartige Eigenschaften aufweisen, wenn die charakteristische Länge der Wechselwirkungen auf denen eine Eigenschaft beruht, mit einer charakteristischen Länge der Mikrostrukturen eines nanoskalig strukturierten Festkörpers vergleichbar wird. Im Falle eines Ferromagneten werden die magnetischen Eigenschaften u.a. durch die Änderung des magnetischen Anisotropiefeldes an den Grenzflächen zwischen benachbarten ferromagnetischen Kristalliten bestimmt. Für das Verständnis der ferromagnetischen Eigenschaften ist daher die Kenntnis der ferromagnetischen Mikrostruktur (d.h. die räumliche Variation der lokalen Magnetisierung nach Richtung und Stärke) entscheidend. So wird das „superparamagnetische Limit“ der erreichbaren Reduktion der Informationsgröße in magnetischen Medien durch das Produkt von Anisotropiekonstante und Volumen bestimmt. Hohe magnetische Anisotropien können hier durch die Substratdehnung aufgrund einer Wasserstoffbeladung (C2) bzw. durch halbsphärische Nanostrukturen (C9) erzielt werden. Messungen mit abbildenden Methoden und mittels magnetischer Röntgenmikroskopie sollten es erstmals e rlauben, die theoretisch erwartete magnetische Mikrostruktur mit den Ergebnissen von Experimenten in einem weiten Bereich von Längenskalen zu vergleichen. Darauf aufbauend sollte es möglich werden, Kriterien zur Herstellungsoptimierung nanokristalliner Ferromagnete zu erarbeiten. Weitere Anwendungsmöglichkeiten von ferromagnetischen Halbleitern, z.B. in der Spinelektronik, sollen im Teilprojekt C10 untersucht werden.

Die zweite "Modelleigenschaft" (Ladungsaustausch in nanoskaligen Porenstrukturen) soll zeigen, ob es möglich ist, diese Materialien (die z.B. in Brennstoffzellen, Batterien, Sensoren etc. eingesetzt werden könnten) in ihren Ladungs- und Transporteigenschaften dadurch kontrolliert zu verändern, dass man durch eine Benetzung der hohen Oberflächenanteile durch geeignete Elektrolyten das Elektrodenpotential variieren kann, um beispielsweise schaltbare Wasserstoffspeicher herzustellen (C12).

Für viele Anwendungen der Nanotechnologie wird es nötig sein, dass Moleküle oder Cluster sich in bestimmten Geometrien anordnen lassen, ja sogar, dass sie an vordefinierte Stellen auf einer Oberfläche spezifisch andocken. Dazu wird in vielfältiger Form die Template-Strategie verfolgt. Biologische Template sind wegen ihrer üblicherweise geringen Stabilität bislang wenig erforscht. Sie bieten jedoch eine enorme Vielfalt an funktionellen Gruppen. Die hier vorgeschlagene Nutzung von Pflanzenviren und anderen Prekursoren konzentriert sich auf neue Ansätze im Bereich der biologischen Template (C5) und der Biomedizin (C11). Auf diesem Weg könnte es möglich werden, neuartige Strukturen zu synthetisieren.

Die Einzelvorhaben des Projektbereichs C wurden nach diesen Gesichtspunkten ausgewählt und aufeinander abgestimmt, wobei gleichzeitig Platz für die Entwicklung hoffnungsvoller neuartiger Synthesemethoden (z. B. im Bereich im Bereich der Nano­Biotechnologie) gelassen wurde.