Molecular, particulate and hybrid nanostructures - Cheatsheet

Definition und Klassifizierung von Nanostrukturen

Definition:

Nanostrukturen umfassen alle Strukturen mit mindestens einer Dimension im Nanometerbereich (1-100 nm).

Details:

• Klassifikation: Nulldimensionale (0D), eindimensionale (1D), zweidimensionale (2D) und dreidimensionale (3D) Nanostrukturen.
• 0D: Quantenpunkte.
• 1D: Nanodrähte, Nanoröhren.
• 2D: Grafen, Nanoflakes.
• 3D: Nanopartikelaggregate.
• Größe und Form beeinflussen Eigenschaften: Elektronisch, optisch, mechanisch.
• Anwendungsbereiche: Elektronik, Medizin, Materialwissenschaften.

Physikalische und chemische Eigenschaften von Nanomaterialien

Definition:

Physikalische und chemische Eigenschaften von Nanomaterialien - beeinflusst durch Größe, Form und Oberfläche der Partikel, signifikant anders im Vergleich zu makroskopischen Materialien

Details:

• Größe und Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis: erhöhte Reaktivität, unterschiedliche optische und elektronische Eigenschaften
• Strukturelle Eigenschaften: Kristallgitter und Defekte können physikalische Eigenschaften beeinflussen
• Elektronische Eigenschaften: Quantenkonfinierungseffekte, Bandlückenveränderung
• Optische Eigenschaften: Plasmonenresonanz, Größenabhängigkeit der Lichtabsorption und -emission
• Mechanische Eigenschaften: Härte, Flexibilität, und Festigkeit durch nanoskalige Effekte verändert
• Chemische Reaktivität: Erhöhte Oberflächenenergie, oft höhere Katalysatoraktivitäten

Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Definition:

Elektronenmikroskope zur Untersuchung von Nanostrukturen. REM: Oberflächenanalyse, TEM: Durchstrahlungsbild für interne Strukturen.

Details:

• REM: Elektronenstrahl tastet Oberfläche ab - Bildgebung durch Sekundärelektronen.
• TEM: Elektronenstrahl durchdringt Probe - Bildgebung durch Wechselwirkung mit inneren Strukturen.
• REM Auflösung: ~1-2 nm, TEM Auflösung: ~0,1 nm.
• Probenvorbereitung: REM-Proben beschichtet, TEM-Proben ultradünn.
• Anwendungen: Morphologie (REM), Kristallstruktur und Defekte (TEM).

Techniken der Oberflächenanalyse

Definition:

Techniken zur Untersuchung von Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften der Oberflächen von Materialien auf molekularer oder atomarer Ebene.

Details:

• XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy): Analyse der chemischen Zusammensetzung und Bindungszustände durch Messung der kinetischen Energie von emittierten Photoelektronen.
• AFM (Atomic Force Microscopy): Oberfläche wird durch Abtasten mit einer feinen Spitze analysiert; liefert topografische Bilder und mechanische Eigenschaften.
• STM (Scanning Tunneling Microscopy): Ermöglicht Bildgebung und Manipulation von Oberflächen auf atomarer Skala durch Tunneln von Elektronen zwischen Probe und Spitze.
• SEM (Scanning Electron Microscopy): Nutzung eines Elektronenstrahls zur Erzeugung von hochaufgelösten Bildern; geeignet für morphologische und topografische Analysen.
• EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy): Kopplung mit SEM zur chemischen Elementaranalyse durch Messung charakteristischer Röntgenstrahlen.

Nanomedizin und zielgerichtete Medikamentenabgabe

Definition:

Anwendung von Nanotechnologie in der Medizin zur gezielten Abgabe von Medikamenten an spezifische Zellen oder Gewebe.

Details:

• Nano-Träger: Liposomen, Polymerkapseln, dendritische Polymere, nanoskalige Metall- und Keramikpartikel
• Gezielte Abgabe: Oberflächenmodifikation/ Antikörperkonjugation für Zellbindung
• Wirkstofffreisetzung: durch pH-Veränderung, Temperatur, magnetische Felder
• Vorteile: Erhöhte Wirksamkeit, geringere Nebenwirkungen
• Herausforderungen: Biokompatibilität, stabile Bindung des Wirkstoffs, Freisetzungskontrolle
• Beispiele: Krebstherapien, entzündungshemmende Behandlungen

Selbstorganisation und Selbstassemblierung molekularer Nanostrukturen

Definition:

Prozesse, bei denen Moleküle sich spontan und geordnet zu funktionalen Strukturen zusammenfügen.

Details:

• Basierend auf nichtkovalenten Wechselwirkungen: z.B. Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte.
• Selbstorganisation: dynamisch, reversible Bindungen, beeinflusst durch äußere Bedingungen.
• Selbstassemblierung: statisch, vorgegebene Strukturen, meist thermodynamisch stabil.
• Anwendungen: Nanomedizin, Elektronik, Materialwissenschaften.
• Beispiel: Liposomen in der Medikamentenfreisetzung.

Synthesestrategien für hybride Nanomaterialien

Definition:

Strategien zur Herstellung von Nanomaterialien, die aus mehr als einer Materialkomponente bestehen, um erweiterte physikalische und chemische Eigenschaften zu erzielen.

Details:

• Sol-Gel-Verfahren: Umwandlung eines Sols in ein Gel.
• Ko-Prezipitation: Gleichzeitiges Ausfällen mehrerer Komponenten.
• Hydrothermalsynthese: Reaktionen in wässriger Lösung bei hohen Temperaturen und Drücken.
• Mechanische Methoden: Mahlverfahren zur Herstellung von Nanocomposites.
• Templating: Nutzen von Vorlagen zur Strukturierung.
• Elektrospinnen: Herstellung von Nanofasern aus polymeren Lösungen.

Quantenmechanische Effekte auf Nanoskalen

Definition:

Quantenmechanische Effekte, die auf Nanoskalen auftreten, beeinflussen das physikalische und chemische Verhalten von Nanostrukturen wesentlich.

Details:

• Wichtige Effekte: Quantenverschränkung, Tunneleffekt
• Elektronen und Löcher erfahren Quantenbeschränkung \rightarrow Diskrete Energiezustände
• Beispiel: Quantenpunkte zeigen quantisierte Energieniveaus
• Nanomaterialien haben höhere Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisse
• Ladungstransporteigenschaften ändern sich signifikant