Struktur von Solvathüllen um kolloidale Nanopartikel

 

In Flüssigkeiten ist die gegenseitige Anordnung von Flüssigkeitsmolekülen durch ihre gegenseitige Wechselwirkung bestimmt. An einer Grenzfläche, z. B. in einer Pore oder um ein kolloidales Partikel, verändert sich die Anordnung der Flüssigkeitsmoleküle im Vergleich zur Volumenflüssigkeit aufgrund der Wechselwirkung an der Grenzfläche. Alkohole und Wasser bilden Wasserstoffbrückenbindungen zu Oberflächengruppen aus. Die daraus resultierende Restrukturierung der Flüssigkeit umfasst 3 bis 5 molekulare Lagen, bevor die Eigenschaften der Volumenflüssigkeit wiedererlangt werden.

Wir konnten zeigen, dass Solvathüllen um Nanopartikel in Dispersionen durch hochenergetische Röntgenbeugung und Analyse der Paarverteilungsfunktion (PDF) zugänglich sind [Science 347 (2015), 292; Nat. Commun. 10 (2019) Art. 995].

  Restrukturierung von Ethanolmolekülen um ein Nanopartikel Urheberrecht: © M. Zobel, R. Neder, S. Kimber

Die Abbildung zeigt die Restrukturierung von Ethanolmolekülen um ein Nanopartikel, dessen Oberfläche anteilig mit organischen Stabilisatormolekülen und Hydroxylgruppen bedeckt ist. Die restrukturierten Ethanolmoleküle führen zu einer sinusförmigen Oszillation des Elektronendichteprofils senkrecht zur Oberfläche (grüne Kurve). Aus der Oszillation können Rückschlüsse auf die Reichweite und Ausprägung der Wechselwirkung zwischen Lösungsmittel und Nanopartikel getroffen werden. Wir haben hierdurch einen Zugang zu den interatomaren und intermolekularen Abständen der Lösungsmittelmoleküle an der Grenzfläche.

Die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeitsmolekülen und Nanopartikel sind spezifisch für jedes Nanopartikel-Molekül-Paar und abhängig von verschiedenen Parametern wie Partikelgröße, Zusammensetzung, Kristallinität oder Oberflächenfunktionalisierung. Deshalb ist eine systematische Studie dieser Einflussparameter auf die Flüssigkeitsstruktur um kolloidale Nanopartikel von Bedeutung.

Wir erforschen Solvat- und Hydrathüllen um magnetische und nicht-magnetische Nanopartikel. Magnetische Eisenoxide und Ferrite sind aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften beispielsweise von großem Interesse für Anwendungen in der Biomedizin und in Ferrofluiden. Metalloxidische Nanopartikel magnetischer und nicht-magnetischer Natur (Fe3O4, ZnO, TiO2, …) werden häufig als Katalysatoren oder in der Nanotechnologie eingesetzt, wo ebenfalls die Grenzflächeneigenschaften z. B. die katalytischen Eigenschaften bestimmen können.

Wir nutzen verschiedene Syntheserouten, um die Nanopartikeleigenschaften wie Größe und Form zu kontrollieren und Langzeitstabilität der Dispersionen einzustellen. Wir bestimmen die Partikeleigenschaften mit üblichen Methoden im Labor wie XRD, DLS, TGA, IR oder CHN-Analytik. Schließlich untersuchen wir die Solvat- und Hydrathüllen der kolloidalen Dispersionen an Großforschungseinrichtungen-

In jedem Schritt von der Synthese, der Charakterisierung physikochemischer Eigenschaften als auch den Messzeiten freuen wir uns darauf, bereits Studierende anzulernen und als Hiwi oder für Abschlussarbeiten einzustellen.

An dem Thema arbeitende Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter:

Prof. Dr. Mirijam Zobel
MSc Sabrina L. J. Thomä (Doktorandin)

Publikationen:

Eckardt, Mirco; Thomae, Sabrina L. J.; Dulle, Martin; Hörner, Gerald; Weber, Birgit; Förster, Stephan; Zobel, Mirijam*: Long-term colloidally stable dispersions of 5 nm sized mixed metal ferrites.
ChemistryOpen (2020), 9, 1214–1220; https://doi.org/10.1002/open.202000313

Thomä, L. J. Sabrina; Krauss, Sebastian W.; Eckardt, Mirco; Chater, Phil; Zobel, Mirijam*: Atomic insight into hydration shells around facetted nanoparticles.
Nature Communications vol. 10 (2019) issue 1, https://doi.org/10.1038/s41467-019-09007-1

Zobel, Mirijam*; Neder, Reinhard B.; Kimber, Simon A. J.*: Universal solvent restructuring induced by colloidal nanoparticles.
Science vol. 347 (2015) issue 6219. - pp. 292-294; https://doi.org/10.1126/science.1261412

Zobel, Mirijam: Observing structural reorientations at solvent-nanoparticle interfaces by X-ray diffraction - putting water in the spotlight.
Acta Cryst. A72 (2016), 621-631; https://doi.org/10.1107/S2053273316013516

  DFG Urheberrecht: © DFG

Förderung:

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Förderkennzeichen: SFB 840, Projekt C7
Projekttitel: Local order of solvent molecules at solid-liquid interfaces in colloidal dispersions
Laufzeit: bis September 2021