Im Licht einer UV-Lampe leuchten sie grün, violett oder blau: fluoreszierende Nanopartikel mit einer Schicht aus organischen Farbstoffen. In einem neuen Verfahren können die empfindlichen Farbstoff-Oberflächen nun zusätzlich mit einem Polymer beschichtet werden, das chemische Reaktionen verhindert und die Farbschicht schützt. Dies eröffnet den Nanopartikeln neue Anwendungen, vor allem in Sicherheitstechnologie und Medizintechnik.
Fälschungssicher weil zu aufwendig
Luxus-Uhren oder andere hochwertige Markenartikel können bald mit einem neuartigen Verfahren vor Fälschungen geschützt werden: Eine Auflage aus fluoreszierenden Nanopartikeln auf dem Zifferblatt oder einem anderen Apparateteil kann als eindeutige Kennzeichnung dienen. Unter UV-Licht zeigen die Auflagen ein charakteristisches Leuchten, das nicht gefälscht werden kann.
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Denn die Herstellung von beschichteten Nanopartikeln ist so schwierig, dass entsprechende Produktionsanlagen nur in hochspezialisierten Labors aufzubauen sind. Andererseits benötigt man für die Kennzeichnung so geringe Materialmengen, dass sich der Einsatz auch auf Massenprodukten lohnen kann. Schon die Herstellung von unbeschichteten Nanopartikeln ist schwierig: Wenn die Winzlinge („nano“ ist das griechische Wort für „Zwerg“) mit Durchmessern von nur einigen Milliardstel Meter dann auch noch eine Beschichtung erhalten sollen, erfordert dies sehr spezielle Kenntnisse und Apparaturen.
Ein Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Nanopartikel wurde in den letzten Jahren im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelt, das so genannte Mikrowellen-Plasmaverfahren. In einem ersten Schritt werden Nanopartikel mit genau definierter, enger Teilchengrößenverteilung in einem Plasma erzeugt. Diese Partikel können – je nach Material – unterschiedliche Eigenschaften tragen, beispielsweise die, magnetisch zu sein. Die erzeugten Partikel gelangen dann in eine zweite Reaktionszone, wo eine Beschichtung, zum Beispiel ein organischer Farbstoff, aufgebracht wird, bevor in einem dritten Prozessschritt eine weitere Lage aus einem Polymer (etwa Plexiglas) als äußere Schutzhülle entsteht.
Mehr Schichten, mehr Möglichkeiten
„Die Schutzhülle schirmt die fluoreszierenden Nanopartikel von der Umgebungsluft ab, so dass sie ihre Eigenschaften nicht verlieren. Zusätzlich kann man mit diesem Verfahren Materialien mit kombinierten Eigenschaften herstellen. Jede Schicht hat eine eigene, charakteristische Eigenschaft“, beschreibt Dorothée Vinga Szabó, die Leiterin dieses Projekts im Institut für Materialforschung des Forschungszentrums Karlsruhe, das Problem und seine Lösung.
„Außerdem halten diese Schichten die Partikel davon ab, gleich nach der Herstellung wieder zusammenzukleben und damit ihre typischen Nano-Eigenschaften zu verlieren.“ Viele Eigenschaften eines Materials ändern sich, wenn man mit der Partikelgröße in den Nanobereich, also in Dimensionen um ein Millionstel Millimeter, vorstößt. Diese neuartigen Materialeigenschaften gehen verloren, wenn die Nanopartikel wieder zu größeren Einheiten koagulieren.
Die Wechselwirkung der beschichteten Nanopartikel mit ihrer Umgebung hängt nun vor allem von der äußeren Schicht und nicht mehr vom Farbstoff ab. Die Partikel können deshalb in Wasser oder organischen Lösungsmitteln suspendiert und damit in die verschiedensten Materialien eingebracht werden. Die im Forschungszentrum hergestellten Partikel eröffnen außerdem Einsatzgebiete in medizinischer Diagnostik und Biologie.
(Forschungszentrum Karlsruhe, 07.04.2004 – NPO)
