Funktionalisierte Nanopartikel

Anorganische Nanopartikel haben in den letzten Jahren ein großes wissenschaftliches Interesse hervorgerufen, welches auf ihren extrem unterschiedlichen elektronischen und Oberflächeneigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen makroskopischen Feststoffen bzw. molekularen Verbindungen beruht. Ihre besonderen Charakteristika machen sie zu idealen Bausteinen für neue funktionelle Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften.
In unserer Arbeitsgruppe beschäftigen wir uns mit der Oberflächenfunktionalisierung und der Einbettung von Nanopartikeln in verschiedene organische und anorganische Polymere, wobei wir eine Vielzahl unterschiedlicher Synthesestrategien einsetzen. Die wesentliche Herausforderung in der Synthese von Nanokompositen liegt zum einen in der Funktionalisierung der Oberfläche der Partikel, damit eine stabile Anbindung an die organische Matrix erhalten wird, und zum anderen sollten die Partikel möglichst homogen in der organischen Matrix verteilt sein.
Wir verwenden zwei unterschiedliche Wege, um diese Ziele zu erreichen: die Funktionalisierung von synthetisch erzeugten Nanopartikeln und die in situ Funktionalisierung der Partikel während ihrer Synthese. Wichtig für beide Methoden ist die Oberflächenbelegung der Partikel mit Molekülen, die sowohl eine Ankergruppe als auch weitere funktionelle Gruppen enthalten, beispielsweise um die Wechselwirkung mit der Polymermatrix zu steigern.
Als Ankergruppen kommen Trialkoxysilane, Phosphonate, Sulfonate oder andere Gruppen, die an die Partikeloberfläche koordinieren, zum Einsatz. Eine interessante Fragestellung in Bezug auf die Art der Anbindung von organischen Oberflächenfunktionalitäten ist der Einfluss von Bindungsmechanismen auf die Oberflächen und eventuell die physikalischen Eigenschaften der resultierenden Nanopartikel. Die funktionellen organischen Gruppen die auf die Oberfläche der Nanopartikel aufgebracht werden, hängen von der weiteren Prozessierung der Partikel ab. So können beispielsweise die oberflächenfunktionalisierten Nanopartikel als Vernetzer oder Initiatoren in Polymerisationen wirken. Durch die Freiheit, die anorganischen Kerne nach der gewünschten Eigenschaft wählen zu können, und die Möglichkeit, die Oberflächen unterschiedlich zu modifizieren, ergibt sich eine große Bandbreite von verschiedenen Materialien.
Die anorganischen Nanopartikel, die wir dabei hauptsächlich einsetzen, sind Metalloxide, die durch Fällung, Hydrothermalsynthese, den Sol-Gel-Prozess, durch Emulsionstechniken oder kontinuierliche Verfahren erhalten werden. Konkrete Forschungsthemen, die uns im Moment beschäftigen, sind die Herstellung von Nanopartikeln über kontinuierliche Synthesen, die anisotrope Oberflächenfunktionalisierung und die Herstellung von Partikeln aus Siliconen.

Buchbeiträge:

• Core-Shell Nanoparticles. G. Kickelbick, L. M. Liz-Marzan, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Edited by H. S. Nalwa, American Scientific Publishers, Los Angeles, 2004, Vol. 2, pp. 199.
• Nanoparticles and Composites, G. Kickelbick in The Sol-Gel Handbook - Synthesis, Characterization, and Applications, (3-Volume Set), (Eds. D. Levy, M. Zayat) Wiley-VCH, 2015, Weinheim, Germany, pp 227-239.

Übersichtsartikel:

• Janus Particles: Anisotropy as a function, Mueller, Nina; Heinrich, Charlotte; Abersfelder, Kai; Kickelbick, Guido, Chemie in Unserer Zeit 2016, 50(6), 392-399. doi:10.1002/ciuz.201600730

Ausgewählte wissenschaftliche Aufsätze:

• Additive-free continuous synthesis of silica and ORMOSIL micro- and nanoparticles applying a microjet reactor, C. Odenwald, G. Kickelbick, J. Sol-Gel Sci. Technol. 2019, 89, 343-353. doi:10.1007/s10971-018-4626-x
• Surface-charged zirconia nanoparticles prepared by organophosphorus surface functionalization with ammonium or sulfonate groups, C. Heinrich, L. Niedner, B. Oberhausen, G. Kickelbick, Langmuir 2019, 35, 11369-11379. doi:10.1021/acs.langmuir.9b01093
• Facile and scalable synthesis of sub-micrometer electrolyte particles for solid acid fuel cells, F. P. Lohmann-Richters, C. Odenwald, G. Kickelbick, B. Abel, A. Varga, RSC Adv. 2018, 8, 21806-21815.doi:10.1039/C8RA03293A
• Local Effects on Airway Inflammation and Systemic Uptake of 5 nm PEGylated and Citrated Gold Nanoparticles in Asthmatic Mice; A. J. Omlor, D.D. Le, J. Schlicker, M. Hannig, R. Ewen, S. Heck, C. Herr, A. Kraegeloh, C. Hein, R. Kautenburger, G. Kickelbick, R. Bals, J. Nguyen, D. Q. Thai; Small 2017, 13, 1603070. doi:10.1002/smll.201603070
• Bottom-up, Wet Chemical Technique for the Continuous Synthesis of Inorganic Nanoparticles; A. Betke, G. Kickelbick; Inorganics, 2014, 2, 1-15. doi: 10.3390/inorganics2010001
• Synthesis and aggregation behavior of hybrid amphiphilic titania Janus nanoparticles via surface-functionalization in Pickering emulsions; N. Zahn, G. Kickelbick; Colloids and Surfaces, A: Physicochemical and Engineering Aspects2014, 461, 142-150. doi:10.1016/j.colsurfa.2014.07.039