En doktorand i materialvetenskap vid Technische Universitat Darmstadt tillverkar multifunktionella nanorör av guld - med hjälp av C -vitamin och andra ofarliga ämnen.
Kaffe, äppeljuice, och C-vitamin:saker som människor får i sig varje dag är experimentmaterial för kemisten Eva-Maria Felix. Doktoranden i forskargruppen till professor Wolfgang Ensinger vid institutionen för materialanalys arbetar med att göra nanorör av guld. Hon fäller ut ädelmetallen från en vattenlösning på en förbehandlad film med många små kanaler. Metallen på kanalernas väggar antar formen av nanorör; filmen löses sedan upp. Tekniken i sig är inte ny, men Felix har modifierat det:"Kemikalierna som vanligtvis används för detta var alldeles för giftiga för mig." Hon föredrog att inte använda cyanid, formaldehyd, arsenik och tungmetallsalter. Hon inspirerades av en tidskriftsartikel av forskare som fick silverutfällning med kaffe.
Felix använde även kaffe i sina första experiment. Hon testade sedan äppeljuice, följt av vitamin C. Detta verkade passa henne bäst eftersom "man vet aldrig vad som finns i kaffe och äppeljuice." Å andra sidan, Vitamin C – eller askorbinsyra – finns i ren form från kemiska butiker – ett krav för reproducerbara studier. Men vad har vitaminet att göra med utfällningen av guld? I människokroppen, C-vitamin gör fria radikaler ofarliga genom att överföra elektroner till dem. "Guldutfällning fungerar enligt samma princip. Den enda skillnaden är att vitaminet inte tar upp radikaler, utan snarare guldjoner", förklarar Falk Münch, en postdoktor och handledare för Felix doktorsavhandling. Guldjonerna som löses upp i utfällningsbadet omvandlas till metalliskt guld efter absorbering av elektroner.
Ytterligare, ofarliga kemikalier krävs för processen. Men proceduren är grön inte bara på grund av de giftfria ämnena, men också för att det sker i rumstemperatur och utan extern strömförsörjning, därmed spara energi. Vidare, i motsats till andra metoder, inga dyra enheter krävs. Filmen med nanokanalerna placeras bara i utfällningsbadet. "Det är verkligen otroligt att vattenlösningar och enkla baskemikalier kan producera så exakta nanostrukturer", säger Münch.
"Green meets Nano" är ett motto för forskarna vid TU. Det enda som inte är grönt i proceduren är filmen som används som mall, konstaterar Ensinger. Även om tester med biobaserad plast redan finns på agendan, filmerna består fortfarande av polykarbonat också tillverkat eller av polyetylentereftalat (PET).
För att skapa miniatyrplastkanalerna som definierar formen, en rund film bombarderas vertikalt med en jonstråle. Varje jon lämnar ett rakt spår i filmen som sedan blir ett litet hål, eller, sedd genom mikroskopet:en kanal som sedan etsas. Dess diameter kan ställas in exakt - ner till långt mindre än 100 nanometer. Guldnanorören är alltså flera hundra gånger finare än ett människohår. Deras väggtjocklek beror både på nederbördens varaktighet och på guldkoncentrationen i den ursprungliga lösningen. Efter att filmen lösts upp, resultatet är - beroende på de experimentella förhållandena - en samling individuella nanorör eller en samling av hundratusentals sammankopplade rör.
Kärnan i tekniken:en jonaccelerator behövs för att generera en jonstråle. TU-forskarna hittade den idealiska partnern för sin forskning i GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research i utkanten av Darmstadt; men GSI:s storskaliga accelerator var av ekonomiska skäl inte lämplig för efterföljande kommersiellt bruk. TU-forskarna letar redan efter alternativ. Till exempel, ett företag i USA tillverkar liknande perforerade filmer med mindre acceleratorer. "Filmerna är inte så väldefinierade som våra är, men de passar också", säger Münch. Vidare, de är billiga:en film ungefär lika stor som ett pappersark kostar bara några euro. Ensinger säger att priset på guld inte är en faktor eftersom mängderna som krävs är små:"Med 1 gram guld, vi skulle kunna göra ett nanorör för bokstavligen varje människa på jorden." Även om ett enda rör inte är användbart för någon, inte mycket material behövs för mikrosensorer, miniatyrgenomströmningsreaktorer, eller andra potentiella tillämpningar.
Ensingers team har redan framgångsrikt testat en användning av guldnanorören:de är lämpliga för att bygga sensorer för att mäta väteperoxid. Denna kemikalie skadar nervceller och spelar tydligen en roll vid neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. En mikrosensor som kan mäta väteperoxid i människokroppen skulle alltså vara praktisk både inom medicinsk forskning och för diagnos. Omvandlingen av väteperoxid till vatten, katalyserad av guldet frigör elektroner genererar en lätt mätbar elektrisk ström. Guldnanorören leder elektricitet särskilt bra på grund av deras endimensionella struktur. Dessutom, de är relativt långa och är därmed mer hållbara än vanliga nanopartiklar.
"Nano meets Life" är TU Materials Science -forskares andra motto. Till exempel, de funderar på att även använda nanorören för att mäta blodsockret. "En subkutan sensor kan rädda diabetespatienter från att hela tiden behöva sticka fingrar", tycker Ensinger. Den gröna produktionsmetoden har också fördelar här eftersom komponenterna i sådana implantat bör tillverkas med så få giftiga kemikalier som möjligt. "Detta slutför cirkeln", säger TU-professorn, kombinerar de två mottonen:"Grön möter Nano möter liv".
