Forscher in Österreich haben eine Technik zur Charakterisierung von Nanopartikeln in suspendierten Gemischen entwickelt. Entwickelt von Markus Simic und Kollegen an der Universität Graz treibt die neue Technik Nanopartikel in Spiralbahnen mit größenabhängigen Geschwindigkeiten – so dass Nanopartikel unterschiedlicher Größe separat untersucht werden können. Dieser neue Ansatz könnte zu Verbesserungen bei der Verarbeitung von Nanopartikeln führen.
Nanopartikel werden in einer Vielzahl kommerzieller Produkte und industrieller Prozesse eingesetzt, darunter Kosmetika, Papier, Farben und Pharmazeutika. Bei vielen dieser Anwendungen werden Nanopartikel in einer Flüssigkeit oder einem Gel suspendiert. Um die bestmögliche Leistung dieser Produkte sicherzustellen, ist es wichtig, die Größe der Nanopartikel zu kontrollieren.
Dies kann mit dynamischer Lichtstreuung erfolgen – einer Technik, die auf der zufälligen Brownschen Bewegung von Nanopartikeln in einer Flüssigkeit beruht. Die Brownsche Bewegung tritt auf, wenn ein Nanopartikel von umgebenden Molekülen gestoßen wird, und daher ist die Bewegung für kleinere Partikel ausgeprägter. Die Brownsche Bewegung wird durch die Messung von Fluktuationen im Licht, das von Nanopartikelgemischen gestreut wird, aufgedeckt.
Zeitlupen
Während diese Technik für kleinere Nanopartikel ziemlich gut funktioniert, werden größere Nanopartikel weniger von der Brownschen Bewegung beeinflusst, sodass ihre Größe viel schwieriger zu überwachen ist. Darüber hinaus kann die Technik die Größe nicht in Echtzeit charakterisieren, was eine immer wichtigere Anforderung für moderne Herstellungsprozesse ist.
Das Team um Šimić hat einen neuen Ansatz gewählt, den es optofluidische Kraftinduktion (OF2i) nennt. Dabei wird eine Nanopartikelmischung durch einen Mikrofluidikkanal in die gleiche Richtung gepumpt wie ein schwach fokussierter optischer Wirbel. Letzterer ist ein Laserstrahl mit einer Wellenfront, die sich korkenzieherartig um die Ausbreitungsrichtung dreht und einen Bahndrehimpuls trägt.
Partikel unterschiedlicher Größe werden durch den Laserstrahl auf unterschiedliche Geschwindigkeiten beschleunigt und bieten so eine Möglichkeit, die Partikelgröße in der Probe zu charakterisieren. Da sich Partikel unterschiedlicher Größe jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, kommt es häufig zu Partikelkollisionen – was die Geschwindigkeitstrennung verschlechtert.
Verdrehtes Licht
Šimićs Team löste dieses Problem durch den Einsatz von verdrehtem Laserlicht. Dadurch wird ein Drehimpuls auf die Nanopartikel übertragen und diese auf spiralförmige Flugbahnen getrieben. Teilchen mit unterschiedlicher Masse folgen unterschiedlichen Flugbahnen, was Kollisionen verhindert.
Atome und Moleküle erzeugen Wirbelstrahlen
Simic und Kollegen erfassten das von den spiralförmigen Nanopartikeln gestreute Licht mithilfe eines unter dem Kanal angebrachten Mikroskops und konnten so die Flugbahnen einzelner Partikel verfolgen. Aus den Formen dieser Flugbahnen konnten sie dann die Geschwindigkeiten der entsprechenden Nanopartikel bestimmen. Mithilfe dieser Informationen konnten sie in Echtzeit die Größe der Partikel in der Flüssigkeit bestimmen.
Das Team testete den Aufbau mit Polystyrol-Nanopartikeln mit Durchmessern zwischen 200 und 900 nm. Diese Größen übersteigen die Möglichkeiten der dynamischen Lichtstreuung. Durch eine weitere Anpassung ihrer Technik hofft das Team, dass OF2i auch zur Messung anderer Eigenschaften von Nanopartikeln verwendet werden könnte, einschließlich ihrer Formen und chemischen Zusammensetzungen.
Derzeit ist noch ungewiss, ob OF2i auch für andere Materialien als Polystyrol funktionieren wird, und dies wird der Schwerpunkt künftiger Experimente der Forscher sein. Aber wenn ihre Technik ihre Leistung auch bei anderen Nanomaterialien beibehält, hoffen Šimić und ihre Kollegen, dass sie eine flexible Werkbank für die Nanomaterialverarbeitung bieten könnte, die den Weg für neue Fortschritte in einem breiten Spektrum von Anwendungen ebnet.
Die Technik ist beschrieben in Körperliche Überprüfung angewendet.
