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Wissen & Umwelt

Alleskönner Nanoteilchen

Hochspezialisierte Nanoteilchen, die aus reinstem Metall bestehen, haben enormes Potenzial. Mit ihnen können Forscher unter anderem Krankheiten sichtbar machen oder hocheffiziente Katalysatoren herstellen.

Drei kleine Flaschen mit Metallnanoteilchen in Wasser. An der Universität Duisburg-Essen stellen Forscher der Arbeitsgruppe Barcikowski Nanoteilchen durch Laserbeschuß her (Foto: Universität Duisburg-Essen/ CENIDE)

Winzige Kügelchen mit riesigem Potential

Nanoteilchen aus Metall sind schon seit Jahrzehnten auf dem Markt. Aber mit absolut blitzblanken Oberflächen gibt es sie noch nicht so lange. Forscher der Universität Duisburg-Essen haben jetzt einen Weg gefunden, solche hochreinen und kugelrunden Partikel herzustellen, die sehr viel mehr können als herkömmliche Metall-Nanopartikel.

Das liegt daran, dass an ihrer Oberfläche noch keine fremden Moleküle - sogenannte Liganden – hängen. Hier muss man wissen: Es gibt unerwünschte Liganden, die die Oberfläche der Nanopartikel verschmutzen. Es gibt aber auch erwünschte Liganden, die den Nanopartikeln überhaupt erst bestimmte Funktionen verleihen.

Sind die hergestellten Nanopartikel am Anfang ligandenfrei, können die Wissenschaftler die Liganden anheften, die sie - für eine bestimmte Funktion - haben möchten. Das können zum Beispiel kurze Eiweißketten sein oder auch die Träger von genetischen Informationen, sogenannte LNA-Ketten.

Atombombe im Reagenzglas

Stephan Barcikowski, , Inhaber des Lehrstuhls für Technische Chemie I an der Uiversität Duisburg-Essen (Foto: DW/ Fabian Schmidt

Stephan Barcikowski bastelt Goldpartikel mit Bio-Funktion

Um zum Beispiel hochreine Gold-Nanopartikel herzustellen, braucht Stephan Barcikowski, Professor für technische Chemie, Gold, Wasser und Licht. Er richtet einen Laserstrahl auf einen kleinen Goldblock, der in einem wassergefüllten Kolben liegt und zerkleinert damit das Gold. "Das ganze funktioniert besonders gut, wenn man ultrakurze Impulse verwendet, also Impulse von 10 Picosekunden", erklärt der Forscher.

Die Impulse sind schneller als die Schwingung von Atomen. "Es sind Intensitäten wie auf der Sonnenoberfläche. Extrem hohe Pulsenergien mit Spitzenleistungen im Gigawattbereich", so Barcikowski. Im Reagenzglas herrschten Zustände wie bei einer Atombombenexplosion.

Weil die Impulse aber nur ein Billionstel einer Sekunde kurz sind, erhitzt sich das Gold bei der Prozedur nicht. Deshalb fängt das Wasser auch nicht an zu kochen sondern bleibt auf Raumtemperatur. Zwischen 10.000 und 100.000 solcher kurzen Impulse gibt der Laser pro Sekunde ab.

Die entstandenen Nanoteilchen werden in Mikrosekunden in einer Mikroblase gefangen und wenn diese Blase platzt im Wasser freigesetzt. "Im nächsten Schritt können wir sie sogar mit Funktionen versehen", betont der Forscher, sprich mit bestimmten Liganden die er an die Goldpartikel anheften möchte.

Dazu setzt Barcikowski dem Wasser vor der Prozedur ein Biomolekül zu: Beispielsweise einen Genabschnitt, eine sogenannte LNA, oder ein kurzes Stück Eiweiß – ein sogenanntes Peptid. "Dadurch, dass die Nanopartikel in dieser Blase gefangen sind, koppeln sie sofort nach ihrer Geburt mit diesem Biomolekül", erklärt er.

Eine Grafik beschreibt die Funktion von Biomolekülen als Liganden an Goldnanopartikeln. Eine andere zeigt, wie unerwünschte Liganden bei der Herstellung von Katalysatoren stören. (Grafik: DW, Quelle: CENIDE)

Biomoleküle sind als Liganden erwünscht. Bei der Katalyse stören Liganden hingegen

Als Trojaner durch die Zellmembran

Die fertigen Gold-Nanopartikel mit den verschiedenen Bio-Funktionen können dann eingesetzt werden, um mit dem Gold Zellen zu finden und zu markieren. Das funktioniert im Prinzip, wie bei einem Trojanischen Pferd.

"Das Peptid ist das Holzpferd", so der Forscher. Es bringt den Nanopartikel durch die Zellmembran. Der Nanopartikel übernimmt die Funktion der Soldaten, die sich im Pferd verstecken. Ein weiteres Biomolekül mit einer spezifischen Funktion entspricht der Waffe, die die Soldaten tragen.

Will man zum Beispiel Spermien von Rindern nach Männlein und Weiblein aussortieren, nutzt man als Waffe ein LNA-Gen-Molekül. Dieses koppelt sich spezifisch nur an die Stellen des Y-Chromosom tragenden Spermiums. So lassen sich dann die männlichen Zellen markieren.

Gold ist rot

Das Gold macht das Ergebnis für die Forscher mit einem einfachen optischen Mikroskop sichtbar. Das gelingt, weil zwei Goldpartikel, die sich nahe kommen schlagartig die Farbe ändern. Die Zelle wird rot durch ein Phänomen namens Plasmonenresonanz. Sortiert man die männlichen Zellen aus, können Landwirte beispielsweise gezielt Milchkühe züchten.

Auch im medizinischen Bereich bietet diese Technik riesige Möglichkeiten, vor allem in der Diagnostik. Denn auch Krankheitserreger oder Entzündungen lassen sich so im Körper markieren.

Antiseptische Kunststoffe

Ein Kunststoff-Polymerstück, welches Nano-Silberpartikel enthält (Foto: DW/Fabian Schmidt)

Kunststoffe werden durch Silber antibiotisch

Nicht nur als Träger für Biomoleküle taugen die hochreinen Metallnanoteilchen. Sie können auch eingesetzt werden, um medizinische Implantate, Schläuche und Katheter, die aus Kunststoff hergestellt sind, dauerhaft zu sterilisieren, sagt Philipp Wagener, Forschungsgruppenleiter an der Universität Duisburg-Essen. Dazu werden Silber-Nanopartikel direkt in den Kunststoff eingebettet.

"Silberionen sind ein ganz hervorragendes Bakteriozid", betont Wagener. Kunststoffe, die Silbernanopartikel in sich tragen, können noch nach Jahren Silberionen freisetzen und sind so antibakteriell wirksam.

Bessere und billigere Katalysatoren

Auch die chemische Industrie hat großes Interesse an ligandenfreien Nanopartikeln. Viele Chemikalien werden nämlich mit Katalysatoren hergestellt. An ihrer Oberfläche finden chemische Umsetzungsreaktionen statt. Nanopartikel eignen sich besonders gut als Katalysatoren, weil sie winzig klein sind und eine riesige Oberfläche bieten. Wenn aber diese Oberfläche mit Liganden belegt ist, können sich ihre katalytische Eigenschaft verringern.

Dr. Philipp Wagener, Forschungsgruppenleiter im Lehrstuhl Technische Chemie I an der Universität Duisburg-Essen (Foto: DW/ Fabian Schmidt) Rechte: Diese Bilder habe ich selbst im Rahmen von zwei Dienstreisen aufgenommen. Die Rechte liegen bei der Deutschen Welle. DW/ Fabian Schmidt

Philipp Wagener verbessert Katalysatoren

Das liegt daran, dass das der Rohstoff zunächst an den Nanopartikel herankommen muss, um an der Oberfläche umgesetzt zu werden. "Wenn da ein Wald von Liganden ist, wird die Aktivität herabgesetzt", erklärt Wagener.

Auf einen einzigen Nanopartikel passen sehr viele Liganden: Ein Partikel hat etwa eine Größe von 30.000 bis 80.000 Atomen. Ein Ligand hingegen hat nur einen Fußabdruck von neun bis 16 Atomen. Ihre Dichte beeinflusst ihre Aktivität als Katalysator. Nicht nur bei der Funktion von Katalysatoren haben ligandenfreie Nanopartikel einen Vorteil, auch die Produktion der Katalysatoren ist leichter, weil die Nanopartikel dann besser auf Trägermaterialien haften bleiben.

"Wenn die Nanopartikel mit Liganden bedeckt sind besteht eine abstoßende Wechselwirkung zwischen der Oberfläche und dem Nanopartikel", so Wagener. Das führe dazu, dass der Nanopartikel bei der Herstellung des Katalysators oft einfach in der Lösung bleibt.

Zudem sind die Katalysatormaterialien wie Platin oder Ruthenium sehr teuer. Und je reiner sie sind, desto weniger Material braucht man bei der Herstellung, um die gleiche katalytische Leistung zu erreichen.

Autor: Fabian Schmidt
Redaktion: Judith Hartl