Een promovendus materiaalkunde aan de Technische Universitat Darmstadt maakt met behulp van vitamine C en andere onschadelijke stoffen multifunctionele nanobuisjes van goud.

Koffie, appelsap, en vitamine C:dingen die mensen dagelijks binnenkrijgen zijn experimenteel materiaal voor chemicus Eva-Maria Felix. De promovendus in de onderzoeksgroep van professor Wolfgang Ensinger van de afdeling Materiaalanalyse werkt aan het maken van nanobuisjes van goud. Ze precipiteert het edelmetaal uit een waterige oplossing op een voorbehandelde film met vele kleine kanaaltjes. Het metaal op de wanden van de kanalen neemt de vorm aan van nanobuisjes; de film wordt dan opgelost. De techniek zelf is niet nieuw, maar Felix heeft het aangepast:"De chemicaliën die hiervoor meestal worden gebruikt, waren gewoon te giftig voor mij." Ze gebruikte liever geen cyanide, formaldehyde, arseen en zouten van zware metalen. Ze liet zich inspireren door een tijdschriftartikel van onderzoekers die zilverprecipitatie bereikten met koffie.

Felix gebruikte ook koffie in haar eerste experimenten. Ze testte toen appelsap, gevolgd door vitamine C. Dit leek haar het meest geschikt, want 'je weet nooit wat er in koffie en appelsap zit'. Anderzijds, Vitamine C - of ascorbinezuur - is in zuivere vorm verkrijgbaar bij chemische winkels - een vereiste voor reproduceerbare studies. Maar wat heeft de vitamine te maken met het neerslaan van goud? In het menselijk lichaam, vitamine C maakt vrije radicalen onschadelijk door er elektronen aan over te dragen. "Goudprecipitatie werkt volgens hetzelfde principe. Het enige verschil is dat de vitamine geen radicalen aanneemt, maar eerder goudionen", legt Falk Münch uit, een postdoctoraal onderzoeker en begeleider van het proefschrift van Felix. De goudionen die in het precipitatiebad zijn opgelost, worden na opname van elektronen omgezet in metallisch goud.

Aanvullend, Voor het proces zijn onschadelijke chemicaliën nodig. Maar de procedure is niet alleen groen vanwege de niet-giftige stoffen, maar ook omdat het bij kamertemperatuur en zonder externe voeding plaatsvindt, dus energie besparen. Verder, in tegenstelling tot andere methoden, er zijn geen dure apparaten nodig. De film met de nanokanalen wordt alleen in het precipitatiebad geplaatst. "Het is echt ongelooflijk dat waterige oplossingen en eenvoudige basischemicaliën zulke nauwkeurige nanostructuren kunnen produceren", zegt Münch.

"Green meets Nano" is een motto van de onderzoekers van de TU. Het enige dat niet groen is in de procedure is de film die als sjabloon wordt gebruikt, merkt Ensinger op. Hoewel testen met biobased plastics al op de agenda staan, de folies bestaan ​​nog steeds uit ook gemaakt polycarbonaat of uit polyethyleentereftalaat (PET).

Om de miniatuur plastic kanalen te creëren die de vorm bepalen, een ronde film wordt verticaal gebombardeerd met een ionenstraal. Elk ion laat een recht spoor in de film achter dat dan een klein gaatje wordt, of, gezien door de microscoop:een kanaal dat vervolgens wordt geëtst. De diameter kan nauwkeurig worden ingesteld - tot veel minder dan 100 nanometer. De gouden nanobuisjes zijn dus enkele honderden keren fijner dan een mensenhaar. Hun wanddikte hangt zowel af van de duur van de neerslag als van de goudconcentratie van de oorspronkelijke oplossing. Nadat de film is opgelost, het resultaat is - afhankelijk van de experimentele omstandigheden - een verzameling van individuele nanobuisjes of een array van honderdduizenden onderling verbonden buisjes.

De crux van de techniek:er is een ionenversneller nodig om een ​​ionenbundel te genereren. De TU-wetenschappers vonden de ideale partner voor hun onderzoek in het GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research aan de rand van Darmstadt; maar de grootschalige versneller van de GSI was om financiële redenen niet geschikt voor later commercieel gebruik. De TU-wetenschappers zoeken nu al naar alternatieven. Bijvoorbeeld, een bedrijf in de VS produceert soortgelijke geperforeerde films met kleinere versnellers. "De films zijn niet zo goed gedefinieerd als de onze, maar ze zijn ook geschikt", zegt Munch. Verder, ze zijn niet duur:een film ter grootte van een vel papier kost slechts een paar euro. Ensinger zegt dat de prijs van goud geen factor is omdat de benodigde hoeveelheden klein zijn:"Met 1 gram goud, we zouden een nanobuisje kunnen maken voor letterlijk elke persoon op aarde." Hoewel een enkele buis voor niemand nuttig is, er is niet veel materiaal nodig voor microsensoren, miniatuur doorstroomreactoren, of andere mogelijke toepassingen.

Het team van Ensinger heeft al één gebruik van de gouden nanobuisjes met succes getest:ze zijn geschikt voor het bouwen van sensoren om waterstofperoxide te meten. Deze chemische stof beschadigt zenuwcellen en speelt blijkbaar een rol bij neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer en Parkinson. Een microsensor die waterstofperoxide in het menselijk lichaam kan meten, zou dus zowel praktisch zijn in medisch onderzoek als voor diagnose. De omzetting van waterstofperoxide in water, gekatalyseerd door het goud dat vrijkomt, genereert elektronen een gemakkelijk meetbare elektrische stroom. De gouden nanobuisjes geleiden elektriciteit bijzonder goed door hun eendimensionale structuur. In aanvulling, ze zijn relatief lang en dus duurzamer dan normale nanodeeltjes.

"Nano meets Life" is het tweede motto van de TU Materials Science-onderzoekers. Bijvoorbeeld, ze denken erover om de nanobuisjes ook te gebruiken om de bloedsuikerspiegel te meten. "Een onderhuidse sensor zou diabetespatiënten kunnen voorkomen dat ze constant in hun vingers moeten prikken", denkt Ensinger. De groene productiemethode heeft ook hier voordelen, omdat de componenten van dergelijke implantaten met zo min mogelijk giftige chemicaliën moeten worden geproduceerd. "Dit maakt de cirkel rond", zegt de TU-hoogleraar, het combineren van de twee motto's:"Green meets Nano meets Life".