10.03.2015

Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Farbstoff im Glas-Sandwich

Funktionale organische Moleküle müssen oft in für sie ungünstige Umgebungen eingebracht werden. Dies kann durch Verkapselung in Materialien geschehen, die die Löslichkeit vermitteln. Den Arbeitsgruppen von Josef Breu, Stephan Förster, Hartmut Yersin und Geoffrey A. Ozin an den Universitäten Bayreuth, Regensburg und Toronto ist nun die Herstellung von Nanodoppelschichten aus einem transparenten Schichtsilikat gelungen, in denen ein hydrophober Fluoreszenzfarbstoff hoch ausgerichtet eingelagert ist. Diese chemisch inerten Silikat-Farbstoff-Nanoplättchen sind in wässriger Lösung dispergierbar und können zu einem Film mit nahezu perfekter Texturierung getrocknet werden, der deutliche optisch anisotrope Eigenschaften aufweist.

Grundlage für diese neuartigen wasserdispergierbaren Doppelschichten waren, wie die Autoren berichten, vorhergehende detaillierte Arbeiten zur Ladungsdichteverteilung in den Schichten von Natriumhectorit, einem fluoridhaltigen Tonmineral. Diese Silikatschichten lagern organische Verbindungen ein, und mit dem Stilbazolium-Fluoreszenzfarbstoff N-Hexadecyl-4-(3,4,5-trimethoxystyryl)-pyridinium ergibt sich eine regelmäßige Wechsellagerung aus Farbstoff, Natriumionen und Silikat. Das überraschende Moment war dann aber die Entdeckung, "dass das mikrokristalline Pulver in entionisiertem Wasser quillt", wie die Autoren erläutern, und dies deute auf eine Delaminierung der eindimensionalen Kristalle in dünnere Nanoplättchen hin.

Getrocknete Filme aus verdünnten Suspensionen dieser Plättchen zeigten die gleiche Benetzbarkeit wie das ursprüngliche Silikatmineral. Demnach mussten, so die Forscher, die hydrophoben Farbstoffmoleküle zwischen den transparenten Silikatschichten vollständig immobilisiert sein. Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen zeigten Plättchen von 4.5 nm Höhe und einer Breite von typischerweise 5 μm. Durch Vergleich mit den Ergebnissen aus Röntgenkleinwinkelmessungen an getrockneten Filmen schlossen die Wissenschaftler auf einen Sandwichaufbau nach der Reihenfolge: Silikatschicht (0,96 nm) – hydratisierte Natriumionen (0,54 nm) – Farbstoff (1,6 nm) – hydratisierte Natriumionen – Silikatschicht. Dass die der Farbstoff zwischen den Doppelschichten homogen dispergiert und ausgerichtet war, bewiesen unter anderem die starke homogene Fluoreszenz in der transparenten verdünnten Suspension sowie die Streuung des grünen Laserlichts.

"Die Doppelschichten können sehr einfach in jede beliebige Polymermatrix eingebracht werden", schreiben Breu und Kollegen, was deren Anwendung verallgemeinere. Zum Beweis stellten sie einen Nanokompositfilm her, der die charakteristische einwandfreie Texturierung sowie eine deutliche optische Anisotropie für die Absorption von polarisiertem Licht aufwies. Somit biete sich diese Verkapselung in Schichten nicht nur für medizinische Anwendungen an, die auf die Verkapselung organischer Moleküle angewiesen sind, sondern auch für Oberflächenbeschichtungen, um funktionale Oberflächen mit bestimmten optischen Eigenschaften herzustellen.

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