Nanokanäle, -drähte und -röhren

Ionenspurmembranen und Nanomaterialien

Mikro- und nanoporöse Polymermembranen

REM-Aufnahme einer ionenspurgeätzten Membran
REM-Aufnahme einer ionenspurgeätzten Membran

Zur Herstellung der Membranen werden Polymerfolien (PC, PET, PI etc.) mit energiereichen Schwerionen bestrahlt, die diese durchdringen und entlang ihrer Wegstrecken zylindersymmetrische Schadenszonen hinterlassen. Durch Ätzung können die Ionenspuren selektiv entfernt werden. Die Gestalt und Größe der so erhaltenen Poren oder Kanäle sind durch Wahl der Reaktionsbedingungen steuerbar.

Bereits unveränderte Membranen zeigen größenselektives Verhalten, weswegen sie als Ionenspurenfilter (ITNF: ion track nanofilters, wenn Kanaldurchmesser <100 nm) zur Filterung von Partikeln aus Flüssigkeiten, Sammlung von Aerosolen und zur Gasseparation sowie zur Analyse kleiner Moleküle und Molekülfragmente durch Translokation genutzt werden. Durch chemische Modifikation (elektrostatische oder kovalente Anbindung von Polyelektrolyten für Oberflächenladungseffekte oder Biomolekülen zur Detektion affiner Wechselwirkungen) wird zusätzliche Selektivität eingebracht. Die Membranen und ihre Trennungseigenschaften werden durch REM, Permeationsexperimente und bei der Untersuchung der Durchlässigkeit von Ionen durch Strom-Spannungs-Korrelation charakterisiert.

Metallische Nanodrähte und -röhren

REM-Aufnahme von elektrochemisch erzeugten Gold-Nanodr&#228;hten
REM-Aufnahme von elektrochemisch erzeugten Gold-Nanodrähten

In einem weiteren Prozeßschritt werden die Nanokanäle galvanisch mit Metallen (Cu, Pt, Au etc.) gefüllt, so dass Nanodrähte entstehen. Die Nanodrähte können durch Auflösen des Polymertemplates freigesetzt werden. Untersucht werden neben morphologischen Kenngrößen wie Oberflächentopographie, Mikrostruktur und Kristallinität Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit und thermische Stabilität. Die Drähte zerfallen beim Erhitzen deutlich unterhalb des Festkörperschmelzpunkts zu einer Kette von Kugeln (Rayleigh-Instabilität); dieser Effekt wird eingehend untersucht.

TEM-Aufnahme von Gold-Nanodr&#228;hten
TEM-Aufnahme von Gold-Nanodrähten

Metallische Strukturen können auch stromfrei erzeugt werden Um Oberflächenselektivität herzustellen, wird die Polymermembran in einem Vorschritt zunächst mit Metall-Nanopartikeln bedeckt. In der nachgelagerten autokatalytischen Reaktion eines Metallsalzes mit einem chemischen Reduktionsmittel wird ausgehend von diesen Keimen elementares Metall abgeschieden. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich polykristalline Drähte oder Röhren.

REM-Aufnahmen freistehender, nanokristalliner Gold-R&#246;hren
REM-Aufnahmen freistehender, nanokristalliner Gold-Röhren

Diese Strukturen zeigen ungewöhnliche physikalische und chemische Eigenschaften wie etwa Plasmonresonanz oder ein gegenüber massiven Materialien gesteigertes Katalysepotenzial. Forschungsschwerpunkte sind die Beeinflussung morphologischer Parameter, die Korrelation von Struktur und Eigenschaften sowie die Feinsteuerung und Nutzung derselben in Folgeexperimenten. Mögliche Einsatzgebiete liegen z.B. im Bereich der Katalyse, Stofftrennung oder Sensorik.

REM-Aufnahme von Gold-Nanor&#246;hren
REM-Aufnahme von Gold-Nanoröhren

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuartiger Nanoröhren-Synthesemethoden, die bekannte Probleme wie z.B. ungenügenden Massentransport oder homogene Nukleation umgehen.

Oxidische Nanodrähte und –röhren, Dünnfilme

REM-Aufnahme polykristalliner ZnO-Dr&#228;hte
REM-Aufnahme polykristalliner ZnO-Drähte

Alternativ werden die Ionenspurtemplate auf verschiedenen Wegen mit Metalloxiden gefüllt. Der Fokus liegt hierbei auf Funktionsmaterialien (z.B. halbleitende oder magnetische Oxide), deren Charakteristika sie für Fragestellungen der Elektroanalytik, der heterogenen Katalyse oder der Photonik besonders qualifizieren. Wie bei den anderen Nanostrukturen kommen in der Charakterisierung neben spezifischen Experimenten vor allem REM, TEM und XRD zum Einsatz.

REM-Aufnahme eines nanokristallinen ZnO-Films
REM-Aufnahme eines nanokristallinen ZnO-Films

Die vorgestellten Templatsynthesen sind nicht auf Röhren- oder Drahtstrukturen beschränkt. Sie lassen sich mit beliebig geformten Polymeroberflächen durchführen und können daher z.B. auch für die Herstellung von Dünnfilmen genutzt werden.

Neuere Publikationen

Lithium Ion Recognition with Nanofluidic Diodes through Host–Guest Complexation in Confined Geometries
M. Ali, I. Ahmed, P. Ramirez, S. Nasir, S. Mafe, C. M. Niemeyer, W. Ensinger
Analytical Chemistry, in press
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Electrochemistry Communications 88, 52-56, 2018
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Optimizing Energy Transduction of Fluctuating Signals with Nanofluidic Diodes and Load Capacitors
P. Ramirez, J. Cervera, V. Gomez, M. Ali, S. Nasir, W. Ensinger, S. Mafe
Small 14, 1702252, 2018
DOI: 10.1002/smll.201702252
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F. Muench, S. Schaefer, L. Hagelüken, L. Molina-Luna, M. Duerrschnabel, H.-J. Kleebe, J. Brötz, A. Vaskevich, I. Rubinstein, W. Ensinger
ACS Applied Materials & Interfaces 9, 31142-31152, 2017
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Tetraalkylammonium Cations Conduction through a Single Nanofluidic Diode: Experimental and Theoretical Studies
M. Ali, P. Ramirez, S. Nasir, J. Cervera, S. Mafe, W. Ensinger
Electrochimica Acta 250, 302-308, 2017
DOI: 10.1016/j.electacta.2017.08.078
Cesium–induced ionic conduction through a single nanofluidic pore modified with calixcrown moieties
M. Ali, I. Ahmed, P. Ramirez, S. Nasir, J. Cervera, S. Mafe, C. M. Niemeyer, W. Ensinger
Langmuir 33, 9170-9177, 2017
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Imaging magnetic flux-closure domains and domain walls in electroless-deposited CoNiB nanotubes
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Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 150, 201-208, 2017
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Carbon nanocasting in ion-track etched polycarbonate membranes
X. Zhao, F. Muench, S. Schaefer, C. Fasel, U. Kunz, S. Ayata, S. Liu, H.-J. Kleebe, W. Ensinger
Materials Letters 187, 56-59, 2017
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M. Ali, I. Ahmed, P. Ramirez, S. Nasir, S. Mafe, C. M. Niemeyer, W. Ensinger
Sensors & Actuators B: Chemical 240, 895–902, 2017
DOI: 10.1016/j.snb.2016.09.061