Synthese von Silikahohlschalen mit Methoden der Durchflusschemie
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Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit werden Silikananopartikel hergestellt, aufgearbeitet und analysiert. Ziel sind Silikahohlschalen, die funktionale Partikel einschließen können. Diese sind innerhalb ihrer Schale von Lösungsmittel umgeben, jedoch gegen Umgebungseinflüsse geschützt.
Das Material wird dabei über Modifikationen der bekannten Stöbersynthese hergestellt. Nach eingehender Untersuchung der Durchflusssynthese zur Herstellung von Vollpartikeln und Heteropartikeln werden die zugrundeliegenden Prinzipien übertragen auf die Synthese von Hohlschalen und Schalen mit Heteropartikeln im Hohlraum.
Der Fokus der Arbeit liegt auf Verfahren mit weichen Templates, insbesondere mit kurzkettiger Polyacrylsäure. Untersucht wird der Einfluss verschiedener Größen, wie die Konzentration der Reaktanden, Temperatur sowie unterschiedlicher Flussraten, auf die Templatebildung. Neben der Zusammensetzung der Reaktionslösungen spielen hier kinetische Parameter eine große Rolle, die mit Hilfe von Mikromischern ausgenutzt werden, um die Templateform zu beeinflussen.
Die so hergestellten Hohlpartikel werden daraufhin weiterentwickelt, indem sie mit anderen Nanopartikeln wie Eisenoxiden oder Metallnanopartikeln befüllt werden. Als Syntheserouten werden dabei drei unterschiedliche Methoden untersucht:
Der erste Mechanismus ist das Einschließen der Partikel im Template mit anschließendem Schalenwachstum um die eingeschlossenen Partikel. In einem zweiten Schritt wird das Template ausgewaschen, die Nanopartikel verbleiben in der Schale. Die Herausforderung bei dieser Art der Heteropartikelgenese ist die Wechselwirkung der einzuschließenden Nanopartikel mit dem Template. Diese kann beispielsweise dazu führen, dass sich aus den Templates keine Hohlschalen mehr bilden. Eine zu schwache Wechselwirkung ist problematisch, da die zu verkapselnden Partikel sich hier überwiegend in der freien Lösung an-statt im Template aufhalten.
Alternativ hierzu ist die Verkapselung einer Emulsion mit einer Silikaschale möglich. Hier können sehr hohe Partikeldichten im Inneren der Hohlschalen erzielt werden, da die in der dispersen Phase vorhandenen Partikel die Phasengrenze üblicherweise nicht überschreiten. Nachteil der Methode sind das in der Hohlschale verbleibende Lösungsmittel und die relativ geringe Kontrolle über die Morphologie der Schalen.
Die dritte untersuchte Methode ist das nachträgliche Einbringen von Nanopartikeln in die Hohlschalen. Dabei werden die zu befüllenden Partikel im Vorfeld hergestellt, was eine bessere Kontrolle über ihre Morphologie (beispielsweise Hohlraum, Schalendicke, Partikeldurchmesser) erlaubt als mit einer Partikelinkorporation im Template erreichbar wäre. Als Verfahren werden hier Precursormaterialien, beispielsweise Metallsalze, in hoher Konzentration in die getrockneten Hohlschalen gefüllt. Anschließend werden die Partikel getrocknet, wobei sich die Salze im inneren der Schalen anreichern. Im nächsten Schritt wird ein Reagenz zugegeben (bei Metallsalzen etwa ein Reduktionsmittel), das durch die Schale diffundiert und darin eingeschlossene Partikel bildet.