Kolloidale Nanopartikel

Nanopartikel präzise steuern und digital nutzen

Erstmals lassen sich Kolloide – winzige, in Lösungen vorliegende Partikel – hochpräzise anordnen und vor allem in ihren Bewegungen steuern. Dank einem neuen, von Wissenschaftlern der Universität Zürich erforschten Verfahren könnten diese kolloidalen Nanopartikel Eingang in die digitale Technologie finden. Denn sie brauchen wenig Energie, sie sind schnell und bieten enorme Speicherkapazitäten – ideale Eigenschaften für neuartige Datenträger oder hochauflösende Bildschirme.

In einem einzigen Nanostab sind EIN- und AUS-Zustände eines Datenspeichers (entspricht binären 1 und 0) möglich. Das externe elektrische Signal (die rote Linie) schreibt einen neuen Zustand auf das Pixel. Der Zustand des Stabs lässt sich mithilfe von polarisiertem Licht jederzeit anzeigen. Er wird im Nanostab gespeichert, bis der nächste elektrische „Schreibimpuls“ ankommt. (Bild: UZH)

Kolloide sind kleinste Partikel, die in einer Flüssigkeit fein verteilt sind. Bisher finden wir sie vor allem in Getränken, Kosmetika und Farben. Mit bloßem Auge können wir sie bei einer Größenordnung von 10 bis circa 100 nm nicht erkennen. Aufgrund der „Brownschen Bewegung“ bewegen sich diese Nanopartikel permanent. Sie unterliegen dabei durch ihre elektrische Ladung den Kräften von Abstoßung und Anziehung. Madhavi Krishnan, Professorin für physikalische Chemie an der Universität Zürich, ist es bereits in Arbeiten vor fünf Jahren gelungen, räumliche Kontrolle über Materie in kleinstem Maßstab zu erlangen. In einer neuen Studie zeigt sie nun gemeinsam mit ihren Laborkollegen, dass es möglich ist, diese Nanopartikel nicht nur räumlich anzuordnen, sondern auch ohne Berührung in einer Flüssigkeit kontrolliert zu bewegen.

Steuerung mit elektrischen und optischen Signalen
Die Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich Nanostruktur erzeugen und flexibel verändern lässt: Sie waren in der Lage, die Kleinstpartikel hochpräzise zu neuen Gebilden anzuordnen und deren Kräfte bewusst zu steuern. „Die Manipulation erfolgt durch die Wechselwirkungen mit elektrischen und optischen Feldern“, erklärt Madhavi Krishnan. Außerdem braucht es für die neuartige Anwendung der intermolekularen Wechselwirkung erstmals keine ultrakalten Temperaturen. Die neue Technologie funktioniert bestens bei Raumtemperatur. Sie ist überdies extrem schnell und äußerst reibungsarm.

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Kleiner, schneller und mit mehr Speicher
Die Methode zur Anordnung und Bewegung der Kolloide erlaubt es, gänzlich neue Materialien zu entwickeln. „Gerade für digitale Technologien weisen die Nanopartikel ideale Eigenschaften auf, da sich in jedem einzelnen Partikel Daten speichern und abrufen lassen“, erklärt Madhavi Krishnan. Mit der gezielten Steuerung einzelner Nanopartikel eröffnen sich neue Möglichkeiten, diese einzusetzen – beispielsweise als zukünftige Datenspeicher oder bei neuartigen Bildschirmen mit bisher schwer zu erreichender Auflösung. „Es lassen sich Nano-Bildschirme herstellen in der Art des Kindle-Lesegeräts mit einer tausendmal kleineren Pixelgröße und viel schnellerer Reaktionszeit“, so die Wissenschaftlerin.

Literatur:
Christopher J. Myers, Michele Celebrano and Madhavi Krishnan. Information storage and retrieval in a single levitating colloidal particle. Nature Nanotechnology, August 17, 2015. DOI: 10.1038/nnano.2015.173.

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