Processingenjörer vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har utvecklat en metod för att bestämma storleken och formen på nanopartiklar i dispersioner betydligt snabbare än någonsin tidigare. Baserat på guldnanoroder, de visade att längd- och diameterfördelningar kan mätas exakt i ett enda steg istället för den komplicerade serien av elektronmikroskopiska bilder som har behövts hittills. Nanopartiklar från ädelmetaller används, till exempel, som katalysatorer och kontrastmedel för att diagnostisera cancer.

På medeltiden, guldpartiklar användes för att skapa levande röda och blå färger, till exempel, för att illustrera bibliska scener i glasmålningar. Denna effekt orsakas av interaktionen mellan det inkommande ljusets elektromagnetiska fält med elektronerna i metallen, som vibrerar kollektivt. Nanopartiklar av guld eller silver är av intresse för moderna tillämpningar inom bioteknik och som katalysatorer, medan deras optiska egenskaper tillämpas inom medicinsk bildteknik, där de fungerar som kontrastmedel för diagnos av tumörer. Partiklarna är speciellt syntetiserade för olika ändamål, eftersom deras egenskaper beror på deras storlek, form, yta, inre struktur och sammansättning.

Övervakning av denna syntesprocess är mycket komplex:Även om det är relativt enkelt att bestämma storleken på nanopartiklarna med hjälp av optiska mättekniker, många elektronmikroskopiska bilder måste analyseras i en detaljerad och tidskrävande process innan partikelns form kan bestämmas. Detta hindrar utvecklingen av nya tillverknings- och bearbetningsmetoder, eftersom tidskrävande mätningar behövs för att hålla reda på eventuella förändringar i partiklarnas storlek eller egenskaper.

Bestämma storlek och form i bara ett steg

Tillsammans med arbetsgrupper från matematikområdet som leds av Dr. Lukas Pflug och prof. Dr. Michael Stingl, och fysisk kemi, ledd av Prof. Dr. Carola Kryschi, processingenjörer vid FAU under ledning av Simon Wawra och professor Dr. Wolfgang Peukert har utvecklat en ny metod för att mäta längden och diameterdistributionen av plasmoniska guldnanoroder i ett enda experiment.

I ett första steg, partiklarna sprids i vatten i ett ultraljudsbad, där de sjunker via centrifugering. På samma gång, de riktas mot ljusglimtar, och deras spektrala egenskaper registreras med hjälp av en detektor. "Genom att kombinera absorptionsoptik med flera våglängder och analytisk ultracentrifugering, vi kunde mäta de optiska och sedimentära egenskaperna hos nanoroderna samtidigt, "förklarar prof. dr. Wolfgang Peukert. Forskarna baserade sin analysmetod på att både sedimentationshastigheten och ljusabsorptionens styrka beror på nanorodernas diameter och längd." Fördelningen av längden, diameter, bildförhållande, yta och volym kan härledas direkt som ett resultat, "förklarar Wolfgang Peukert.

Metoden som utvecklats vid FAU är inte begränsad till nanopartiklar av ädla metaller. Den kan användas på ett antal plasmoniskt aktiva material och kan även utvidgas till andra geometriska former. Under syntesen, sfärformade partiklar skapas samtidigt som nanoroder, och deras fördelning och massprocent i provet kan också mätas exakt. Peukert:"Vår nya metod möjliggör en omfattande och kvantitativ analys av dessa mycket intressanta partikelsystem. Vi tror att vårt arbete kommer att bidra till att kunna karakterisera plasmoniska nanopartiklar snabbt och tillförlitligt under syntes och i ett antal applikationer."