Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren als Sonden für die lokale Temperaturmessung mittels NMR in der Biomedizin
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Nachfolgeprojekt zu „Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren als Sonden für die lokale Temperaturmessung mittels NMR in der Biomedizin“ sollten auf der einen Seite homogenere Pt-CNT synthetisiert und auf eine Temperaturanhängigkeit ihrer NMR Parameter untersucht werden. Eindeutig konnte die Synthese der Pt-gefüllten CNT verbessert werden: die Platinpartikel lagerten sich fast ausschließlich homogen im Innern der CNT an, und größere Cluster außerhalb der Nanoröhren wurden mit den optimierten Synthesebedingungen nicht mehr gefunden. Dies stellt eine enorme Verbesserung der Probenqualität dar und kann daher als ein großer Erfolg dieses Projekts gezählt werden. Auch wurde die prinzipiell mögliche Temperatursensitivität von metallischen Pt-Partikeln mittels NMR getestet, wobei eine um 2 Größenordnungen verbesserte Temperatursensitivität als bei verschiedenen Kupferhalogenid-gefüllten CNT aus dem Vorläuferprojekt gefunden wurde. Aufgrund der noch zu geringen Füllmenge von maximal 20% Platin innerhalb der CNT konnten NMR Messungen an den Pt-gefüllten CNT aufgrund der zu kleinen Signalgröße bislang nicht durchgeführt werden. Ideen zur Verbesserung der Füllmenge sind z.B. durch eine verbesserte Dispergierung der Proben bei der Herstellung gegeben, da es bisher beim Versuch des Hochskalierens des Prozesses und der Füllmenge zu starken Agglomerationen der Nanoröhren kam. Weitere Systeme, die in diesem Projekt synthetisiert wurden, sind Gd-gefüllte CNT. Auch hier wurde einerseits die Synthese (Homogenität, Füllgrad) optimiert, aber auch die magnetischen Eigenschaften in Hinblick auf eine Verwendung als Kontrastmittel untersucht. Ein effektives magnetisches Moment von ~ 6.3 µB der GdI3-gefüllten CNT weist auf ein hohes Potential für die Anwendung als MRT Kontrastmittel hin, da starke magnetische Wechselwirkungen zwischen den gefüllten CNT und dem menschlichen Gewebe und damit große Unterschiede im MRT-Kontrast erwartet werden können. Ein zweiter Weg, um ein Nanothermometer für biomedizinische Zwecke, d.h. mit einer Temperaturauflösung von ±0.2 K, zu realisieren, stellte die Füllung von CNT mit einer intermetallischen Verbindung dar, welche einen magnetischen Phasenübergang um die 40-50°C zeigt. Mögliche Bulkmaterialien, welche in Frage kommen könnten, sind binäre Verbindungen wie Co-Ferrite, Ni-Fe oder Verbindungen aus der Materialklasse der Heuslerlegierungen wie z.B. Ni-Mn-In-Co oder Ni-Mn-Sn-Co. Deshalb wurde in diesem Projekt damit begonnen, binäre und ternäre intermetallische Verbindungen in CNT zu füllen. Letzteres stellte zum Zeitpunkt des Folgeantrags eine ganz neue Herausforderung dar, welche zum Zeitpunkt des Projekts selbst im internationalen Vergleich nicht publiziert worden war. Durch ein systematisches Herantasten und Optimieren der Synthese für Fe und Co und später FeCo-Füllungen, konnten schließlich homogene Co2FeGa-gefüllte CNT mit Füllgraden bis zu 30% hergestellt werden. Die magnetische Charakterisierung dieser gefüllten CNT zeigte klar, dass sich die magnetischen Eigenschaften, wie z.B. das Koerzitivfeld von Co2FeGa in Form von sphärischen Nanopartikeln, stark verändern und das Koerzitivfeld von Co2FeGa um eine Größenordnung gesteigert werden konnte. Mit Hilfe dieser Studien zum Tunen von magnetischen Eigenschaften intermetallischer Verbindungen beim Herunterskalieren auf Nanometergröße durch das Einbringen in CNT wurde somit nicht nur ein neuer Weg für die Realisierung eines Nanothermometers geöffnet, sondern auch ein neues richtungsweisendes Forschungsgebiet des IFW in Hinblick auf andere Anwendungsgebiete, wie z.B. den Bereich der magnetischen Datenspeicherung, eröffnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Feasibility of magnetically functionalised carbon nanotubes for biological applications: From fundamental properties of individual nanomagnets to nanoscaled heaters and temperature sensors, in: Carbon Nanotubes for Biomedical Applications, R. Klingeler, R.B. Sim (eds.), Springer-Verl., 2011, 97-124 (2011)
M.U. Lutz, K. Lipert, Y. Krupskaya, S. Bahr, A. Wolter, A.A. El-Gendy, S. Hampel, A. Leonhardt, A. Taylor, K. Kraemer, B. Buechner, R. Klingeler
