Grønt møder nano:Forskere skaber multifunktionelle nanorør ved hjælp af ikke-toksiske materialer

En doktorand i materialevidenskab ved Technische Universitat Darmstadt laver multifunktionelle nanorør af guld — ved hjælp af C-vitamin og andre uskadelige stoffer.

Kaffe, æblejuice, og C-vitamin:ting, som folk indtager hver dag, er forsøgsmateriale for kemiker Eva-Maria Felix. Doktoranden i professor Wolfgang Ensinger's forskningsgruppe i Institut for Materialeanalyse arbejder på at lave nanorør af guld. Hun udfælder det ædle metall fra en vandig opløsning på en forbehandlet film med mange små kanaler. Metallet på kanalernes vægge antager formen af ​​nanorør; filmen opløses derefter. Teknikken i sig selv er ikke ny, men Felix har ændret det:"De kemikalier, der normalt bruges til dette, var bare for giftige for mig." Hun foretrak ikke at bruge cyanid, formaldehyd, arsen og tungmetalsalte. Hun blev inspireret af en tidsskriftsartikel af forskere, der opnåede sølvudfældning ved hjælp af kaffe.

Felix brugte også kaffe i sine første eksperimenter. Hun testede derefter æblejuice, efterfulgt af C-vitamin. Dette så ud til at være det bedst egnede til hende, fordi "man ved aldrig, hvad der er i kaffe og æblejuice." På den anden side, C-vitamin - eller ascorbinsyre - fås i ren form fra kemiske lagre - et krav for reproducerbare undersøgelser. Men hvad har vitaminet med udfældningen af ​​guld at gøre? I den menneskelige krop, C-vitamin gør frie radikaler uskadelige ved at overføre elektroner til dem. "Guldudfældningen fungerer efter samme princip. Den eneste forskel er, at vitaminet ikke optager radikaler, men snarere guldioner", forklarer Falk Münch, en postdoc-forsker og vejleder på Felix' ph.d.-afhandling. Guldionerne, der er opløst i udfældningsbadet, omdannes til metallisk guld efter at have absorberet elektroner.

Ekstra, der kræves harmløse kemikalier til processen. Men proceduren er grøn ikke kun på grund af de ikke-giftige stoffer, men også fordi det foregår ved stuetemperatur og uden ekstern strømforsyning, dermed spare energi. Desuden, i modsætning til andre metoder, der kræves ingen dyre enheder. Filmen med nanokanalerne placeres blot i udfældningsbadet. "Det er virkelig utroligt, at vandige opløsninger og simple grundkemikalier kan producere så præcise nanostrukturer," siger Münch.

"Green meets Nano" er et motto for forskerne på TU. Det eneste, der ikke er grønt i proceduren, er filmen, der bruges som skabelon, bemærker Ensinger. Selvom test med biobaseret plast allerede er på dagsordenen, filmene består stadig af polycarbonat også fremstillet eller af polyethylenterephthalat (PET).

For at skabe de miniature plastikkanaler, der definerer formen, en rund film bliver lodret bombarderet med en ionstråle. Hver ion efterlader et lige spor i filmen, som så bliver til et lille hul, eller, set gennem mikroskopet:en kanal, der derefter ætses. Dens diameter kan indstilles præcist - ned til langt mindre end 100 nanometer. Guld nanorørene er altså flere hundrede gange finere end et menneskehår. Deres vægtykkelse afhænger både af varigheden af ​​nedbør og af guldkoncentrationen af ​​den oprindelige opløsning. Efter at filmen er opløst, resultatet er - afhængig af de eksperimentelle forhold - en samling af individuelle nanorør eller en række af hundredtusindvis af indbyrdes forbundne rør.

Kernen i teknikken:en ionaccelerator er nødvendig for at generere en ionstråle. TU-forskerne fandt den ideelle partner til deres forskning i GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i udkanten af ​​Darmstadt; men GSI's storstilede accelerator var ikke egnet til efterfølgende kommerciel brug af økonomiske årsager. TU-forskerne leder allerede efter alternativer. For eksempel, en virksomhed i USA producerer tilsvarende perforerede film med mindre acceleratorer. "Filmene er ikke så veldefinerede som vores, men de er også velegnede", siger Münch. Desuden, de er billige:en film på størrelse med et ark papir koster kun et par euro. Ensinger siger, at prisen på guld ikke er en faktor, fordi de mængder, der kræves, er små:"Med 1 gram guld, vi kunne lave et nanorør til bogstaveligt talt alle mennesker på jorden." Selvom et enkelt rør ikke er nyttigt for nogen, der kræves ikke meget materiale til mikrosensorer, miniature gennemstrømsreaktorer, eller andre potentielle applikationer.

Ensingers team har allerede med succes testet én anvendelse af guldnanorørene:de er velegnede til at bygge sensorer til at måle brintoverilte. Dette kemikalie beskadiger nerveceller og spiller tilsyneladende en rolle i neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinsons. En mikrosensor, der kan måle brintoverilte i den menneskelige krop, ville således være praktisk både i medicinsk forskning og til diagnosticering. Omdannelsen af ​​hydrogenperoxid til vand, katalyseret af guldet frigiver elektroner genererer en let målelig elektrisk strøm. Guld nanorørene leder elektricitet særligt godt på grund af deres endimensionelle struktur. Ud over, de er relativt lange og er dermed mere holdbare end normale nanopartikler.

"Nano møder livet" er det andet motto for TU Materials Science-forskerne. For eksempel, de overvejer også at bruge nanorørene til at måle blodsukkeret. "En subkutan sensor kunne redde diabetespatienter fra konstant at skulle prikke i fingrene", mener Ensinger. Den grønne produktionsmetode har også fordele her, fordi komponenterne i sådanne implantater skal fremstilles med så få giftige kemikalier som muligt. "Dette fuldender cirklen", siger TU-professoren, kombinere de to mottoer:"Grønt møder Nano møder livet".