Self-assembly of nanoparticle thin films at the liquid-liquid interface
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden drei Themenschwerpunkte bearbeitet: Als erstes die Untersuchung der Bildung von Dünnfilmen an der Öl-Wasser-Grenzfläche aus Ludox Partikeln und Lipiden. Durch die grenzflächenscherrheologische Charakterisierung der Filmbildung konnte festgestellt werden, dass sich mit Stearinsäure als Lipid die Filme mit den höchsten rheologischen Modulen bilden. Mit Stearylamin bilden sich ebenfalls Dünnfilme, diese sind aber weniger stabil. Mit Stearylalkohol bilden sich gar keine Dünnfilme. Auf Basis der DLVO-Theorie konnte ein theoretischer Ansatz für die Wechselwirkungen der Partikel an der Grenzfläche in Zusammenspiel mit den untersuchten Lipiden entwickelt werden. Zweitens wurden die im ersten Teil gewonnenen Erkenntnisse genutzt um auf Basis der Dünnfilmbildung an planaren Grenzflächen Mikrokapseln aus Ludox-Partikeln und Stearinsäure herzustellen. Die so gewonnenen Mikrokapseln umschließen eine wässrige Phase in ihrem Innern und sind sowohl in organischer als auch wässrigen Volumenphase stabil. Die Untersuchung der Eigenschaften der Kapseln in Bezug auf die Speicherung und die Freigabe von Wirkstoffen ist Gegenstand weiterer Forschung und befindet sich zurzeit in Arbeit. Drittens wurde in einem neu erschlossenen Kooperationsprojekt die Bildung von Nanofasern mittels nanoporöser Membranen erforscht. Es konnten Collagenfibrillen hergestellt werden, die in ihrem Innern mineralisiert waren und somit natürlichem Knochenmaterial sehr stark ähnelten. Weiterhin konnte der Durchmesser der Fibrillen durch die Größe der Nanoporen kontrolliert werden. Die Methode ist auch grundsätzlich für die Herstellung von Nanofasern mit unterschiedlichen Polymeren und anorganischen Komponenten anwendbar. Die Selbstassemblierung von Nanopartikeln ist ein zentrales Thema aktueller Forschung. Sie führt zu der Bildung geordneter Strukturen auf der Meso- und Makroskala und vereinigt somit die Vorteile makroskopischer Strukturen mit den besonderen Eigenschaften der Nanoskala. Die Selbstorganisation von Nanopartikeln ist von entscheidender Bedeutung für den praktischen Nutzen von Nanopartikeln. Für technische Anwendungen ist es z.B. nicht ausreichend fortschrittliche, funktionalisierte Nanopartikel herzustellen – zusätzlich müssen die Nanopartikel in hoher Quantität hergestellt werden und im Verbund mit anderen Materialien zum Einsatz kommen. Dies kann mit dem Einsatz von Enzymen in Organismen verglichen werden: hier kommen große Mengen hochspezialisierter Proteine im zellulären Verbund zum Einsatz, welcher selber wiederum aus vielen Bausteinen besteht. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde neue Methode zur Herstellung geschlossener Dünnfilme an der Grenzfläche zwischen einem organischen Lösungsmittel (Decan) und einer wässrigen Lösung erforscht. Die Filme bestehen aus einem Tensid (z.B. Stearinsäure) und Nanopartikeln (z.B. Silica Ludox). Die Herstellung der Dünnfilme erfolgt mit einem sehr einfachen experimentellen Ansatz und bringt Filme mit einer für Ihre geringe Dicke außerordentlich hohen Stabilität hervor. Die Dünnfilme können auch genutzt werden um Mikrokapseln herzustellen. Dabei bilden Dünnfilme aus Stearinsäure und Ludox-Partikeln eine Hülle um Emulsionströpchen. Mikrokapseln können zur Speicherung und gezielten Freisetzung von Wirkstoffmolekülen verwendet werden. Weiterhin wurde eine neue Methode zur Herstellung von Nanofasern entwickelt. Mit dieser Methode konnten Collagenfibrillen hergestellt werden, die in ihrem Innern mineralisiert sind. Mineralisierte Collagenfibrillen sind die Grundbausteine von Knochen. Die künstliche Herstellung von mineralisierten Collagenfibrillen hat wichtige Anwendungen im Bereich der Gewebekonstruktion, vor allem bezogen auf die Herstellung von Knochenersatzstoffen.
Publications
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2010 AiChe Annual Meeting, Salt Lake City: „Thin Film Formation of Silica Nanoparticles in the Presence of Lipids at the Fluid-Fluid Interface”
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Thin film formation of silica nanoparticle/lipid composite films at the fluid-fluid interface. Langmuir, 2010, 26, 17867-17873
Maas, M., Ooi, C.C., Fuller, G.G.
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New Method for the Preparation of Mineralized Collagen Fibrils. Nanoletters, 2011, 11, 1383-1388
Maas, M., Guo, P. Keeney, M., Yang, F., Hsu, T., Martin, C.R., Fuller, G., Zare, R.N.
