Herstellung und Charakterisierung von Nanopartikeln definierter Form und Größe

Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten in der AG Kolloidchemie konzentriert sich auf die Bildung und Stabilisierung von Nanopartikeln definierter Form und Größe in unterschiedlichen Lösungsmitteln und Templatphasen unter Verwendung von Polyelektrolyten.

Goldnanopartikelbildung in wässriger Lösung

Polykationen [31, 37], Polyanionen [28] und Polyampholyte [34] können als Reduktions- und Stabilisierungsagens bei der Herstellung von Goldnanopartikeln definierter Form und Größe eingesetzt werden. Die resultierenden Goldnanopartikel sind elektrosterisch stabilisiert und können bei der Verwendung von zuckermodifizierten Polyethyleniminen (PEI) [44] auf Partikelgrößen kleiner 4 nm eingestellt werden.

Goldnanopartikelbildung in ionischen Flüssigkeiten

In Analogie zum wässrigen System kann die Goldnanopartikelbildung in Gegenwart von PEI auch in ionischen Flüssigkeiten durchgeführt werden [45]. Die entstehenden Goldnanopartikel mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 5 und 7nm können in Chloroform redispergiert und über eine kovalente Bindungsknüpfung in Elektroden eingebaut werden [45].



Nanopartikelbildung in Templatphasen

Mikroemulsionen

Wasser-in-Öl Mikroemulsionströpfchen können als Nanoreaktorraum für die Partikelbildung genutzt werden. Wie bereits unter Punkt II aufgeführt können Polyelektrolyte in die Wassertröpfchen eingebracht werden, ohne dass makroskopisch Phasentrennung einsetzt. Die polyelektrolyt-modifizierten Mikroemulsionen können als Templatphase direkt für die Nanopartikelbildung eingesetzt werden [18,27,29,31,34-36,38-42].
Dabei können die Polyelektrolyte als Reduktionsmittel bei der Goldnanopartikelbildung [31,34,38] oder aber als Stabilisierungsagens bei der CdS [30,40,42],BaSO4 [18,27,29,39,41], Magnetit [35] und Zinksulfidherstellung agieren [36]. Die Polyelektrolyte sind bei der Redispergierung der Nanopartikel nach der vollständigen Entfernung der Lösungsmittel von besonderer Bedeutung und verhindern eine Aggregation der einzelnen Nanopartikel.

Vesikelphasen

Die Goldnanopartikelbildung kann auch direkt an der Oberfläche von gemischten Phospholipidvesikeln stattfinden, wobei neben spherischen Goldpartikeln auch Dreiecke und Stäbchen entstehen [33]. In Gegenwart von zuckermodifiziertem PEI entstehen bevorzugt Stäbchen und Dreiecke, was insbesondere auf das Polykation zurückzuführen ist [43]. Die Nanopartikelbildung direkt in der Bilayer-Phase führt dagegen zur verstärkten Ausbildung von Stäbchen [32]. Neueste Arbeiten (DFG-Projekt KO 1387/14-1) zeigen, dass in Gegenwart von Polyampholyten (PalPhBisCarb) der Anteil an Nanodreiecken optimiert werden kann und deren Abtrennung gelingt [46].

TEM-Aufnahme von anisotropen Goldnanopartikeln, hergestellt in Gegenwart von PalPhBisCarb

Hydrogele

Polyelektrolyt-modifizierte Nanopartikel können auch in Hydrogele eingebracht bzw. direkt im Hydrogel gebildet werden [47].

Kooperation

  • Prof. M. Gradzielski (TU Berlin)
  • Dr. D. Appelhans (Leibniz Institut, Dresden)
  • Prof. S. Kudaibergenov (Kazakh National Technical University, Almaty)

Ausgewählte Publikationen:

[27] J. Koetz, J. Bahnemann, G. Lucas, B. Tiersch, S. Kosmella
Polyelectrolyte-modified microemulsions as new templates for the formation of nanoparticles
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 250 (2004) 423-430 | DOI: 10.1016/j.colsurfa.2004.04.094
[28] C. Note, J. Koetz, S. Kosmella, B. Tiersch
Hydrophobically modified polyelectrolytes used as reducing and stabilizing agent for the formation of gold nanoparticles
Colloid & Polymer Science 283 (2005) 1334-1342 | DOI: 10.1007/s00396-005-1349-7
[29] J. Koetz, S. Andres, S. Kosmella, B. Tiersch
BaSO4 nanorods produced in polymer-modified bicontinuous microemulsions
Composite Interfaces 13 (2006) 4-6, 461-475 | DOI: 10.1163/156855406777408629
[30] J. Koetz, N. Jagielski, S. Kosmella, A. Friedrich, E. Kleinpeter
CdS nanocubes formed in phosphatidylcholin-based template phases
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 288 (2006) 1-3, 36-43 | DOI: 10.1016/j.colsurfa.2006.01.013
[31] C. Note, S. Kosmella, J. Koetz
Poly(ethyleneimine) as Reducing and Stabilizing Agent for the Formation of Gold Nanoparticles in w/o Microemulsions
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 290 (2006) 1-3, 150-156 | DOI: 10.1016/j.colsurfa.2006.05.018
[32] Q. Tong, S. Kosmella, J. Koetz
Formation of rod-like CdS nanoparticles in SDS/decanol based multilamellar vesicles
Progress in Colloid & Polymer Sci. (2006) 133:152-158 | DOI: 10.1007/3-540-32702-9_24
[33] D. Robertson, B. Tiersch, S. Kosmella, J. Koetz
Preparation of crystalline gold nanoparticles at the surface of mixed phosphatidylcholine-ionic surfactant vesicles
J. Colloid and Interface Sci. 305 (2007) 345-351 | DOI: 10.1016/j.jcis.2006.09.079
[34] C. Note, J. Koetz, L. Wattebled, A. Laschewsky
Effect of a new hydrophobically modified polyampholyte on the formation of inverse microemulsions and the preparation of gold nanoparticles
J. Colloid and Interface Sci. 308 (2007) 162-169 | DOI: 10.1016/j.jcis.2006.12.047
[35] J. Baier, J. Koetz, S. Kosmella, B. Tiersch, H. Rehage
Polyelectrolyte-modified microemulsions and their use as templates for the formation of magnetite nanoparticles
J. Phys. Chem. B 111 (2007) 8612-8618 | DOI: 10.1021/jp068995g
[36] J. Koetz, J. Baier, S. Kosmella
Formation of zinc sulfide and hydroxylapatite nanoparticles in polyelectrolyte-modified microemulsions
Colloid & Polymer Sci. 285 (2007) 1719-1726 | DOI: 10.1007/s00396-007-1757-y
[37] A. Köth, J. Koetz, D. Appelhans, B. Voit
„Sweet“ Gold Nanoparicles with Oligosaccharide-modified Poly(ethyleneimine)
Colloid & Polymer Sci. 286 (2008) 1317-1327 | DOI: 10.1007/s00396-008-1903-1
[38] S. Lutter, J. Koetz, B. Tiersch, A. Boschetti-de-Fierro, V. Abetz
Formation of gold nanoparticles in triblock terpolymer-modified inverse microemulsions
Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 329 (2008) 169-176 | DOI: 10.1016/j.colsurfa.2008.07.014
[39] J. Koetz, S. Lutter, M. Fechner
Polymer-modified microemulsions as templates for the formation of BaSO4 nanoparticles
Tenside Surf. Det. 45 (2008) 6, 326-329 | DOI: 10.3139/113.100391
[40] S. Lutter, J. Koetz, B. Tiersch, S. Kosmella
Formation of cadmium sulfide nanoparticles in poly(ethylene glycol)- modified microemulsions
Progress in Colloid & Polymer Sci. 134 (2008) 149-155 | DOI: 10.1007/2882_2008_082
[41] S. Lutter, J. Koetz, B. Tiersch, S. Kosmella
Polymer-modified bicontinuous microemulsions used as a template for the formation of nanorods
J. Dispersion Sci. and Technology 30 (2009) 745-752 | DOI: 10.1080/01932690802643113
[42] J. Koetz, K. Gawlitza, S. Kosmella
Formation of organically and inorganically passivated CdS nanoparticles in reverse microemulsions
Colloid & Polymer Sci. 288 (2010) 257-263 | DOI: 10.1007/s00396-009-2154-5
[43] A. Köth, D. Appelhans, D. Robertson, B. Tiersch, J. Koetz
Use of Weakly Cationic Dendritic Glycopolymer for Morphological Transformation of Phospholipid Vesicles into Tube-like Network
Soft Matter (2011) 7, 10581-10584 | DOI: 10.1039/C1SM06439H
[44] A. Köth, B. Tiersch, D. Appelhans, M. Gradzielski, H. Cölfen, J. Koetz
Synthesis of core-shell gold nanoparticles with maltose-modified poly(ethyleneimine)
J. Dispersion Sci. and Technology (2012) 33, 52-60 | DOI: 10.1080/01932691.2010.530084
[45] S. Frasca, O. Rojas, J. Salewski, B. Neumann, K. Stiba, I.M. Weidinger, B. Tiersch, S. Leimkühler, J. Koetz, U. Wollenberger
Human sulfite oxidase electrochemistry on gold nanoparticles modified electrode
Bioelectrochemistry 87 (2012), 33-41 | DOI: 10.1016/j.bioelechem.2011.11.012
[46] F. Liebig, R. M. Sarhan, C. Prietzel, A. Reinecke, J. Koetz:
“Green” gold nanotriangles: synthesis, purification by polyelectrolyte/micelle depletion flocculation and performance in surface-enhanced Raman scattering,
RSC Advances 6 (2016) 33561-33568 | DOI: 10.1039/C6RA04808K
[47] S. Kudaibergenov, Zh. Ibraeva, N. A. Dolya, B. Musabayeva, A. Zharmagambetova, J. Koetz
Semi-Interpenetrating hydrogels of polyelectrolytes, polymer-metal complexes and polymer-protected palladium nanoparticles
Macromol. Symposia 274 (2008) 11-21 | DOI: 10.1002/masy.200851403