News: Magnetisches Sieb
Schon ein Sieb herzustellen, das Nanometer große Poren besitzt, ist eine Herausforderung für die Wissenschaft. Dieses Sieb auch noch mit winzigen Magneten zu versehen, um damit bestimmte Moleküle aus einer Flüssigkeit zu fischen, macht die Aufgabe nicht einfacher.
© (Ausschnitt)
Proteine sind klein, sehr klein. Um diese winzigen biologischen Moleküle je nach Beschaffenheit getrennt zu untersuchen, bedarf es deshalb besonderer Methoden, die gewünschte Molekülsorte aus einer Flüssigkeit herauszufischen. Zwar reicht für eine Trennung nach Größe ein einfaches Sieb, nur muss dieses natürlich entsprechend winzige Poren besitzen.
Ein Sieb von solcher Beschaffenheit mit Nanometer großen Poren können Wissenschaftler mittlerweile herstellen, doch reicht die Größe als Sortierkriterium mitunter nicht aus. Deshalb hat Carlos Garcia von der Cornell University im amerikanischen Ithaca zusammen mit seinen Kollegen ein magnetisches Sieb entworfen. Doch warum eigentlich magnetisch, lassen sich doch die meisten Moleküle von einem Magnetfeld nicht sonderlich beeindrucken?
Normalerweise nicht, aber für Biologen und Chemiker ist es mittlerweile ein Leichtes, ein bestimmtes Molekül mit einem geeigneten Marker zu versehen, und der kann auch magnetisch sein. So könnte man beispielsweise entsprechend markierte Proteine schnell aus einer Lösung herausfiltern, da sie allesamt an dem anziehenden Filtermaterial hängen bleiben. Aber wie stellt man so einen magnetischen Nanofilter her?
Dazu mischten Garcia und sein Team ein Polymer mit einem keramischen Material und so genanntem Eisen-Ethylat, wobei sich unter geeigneten Bedingungen von selbst ein von Polymersträngen durchzogenes Verbundmaterial bildete. Im nächsten Schritt glühten die Forscher das Material aus, sodass die organischen Komponenten verdampften und eine keramische Wabenstruktur übrig ließen. Je nach Molekulargewicht des Polymers und dem Verhältnis von organischen und keramischen Bestandteilen ließ sich die Porengröße genau einstellen – soweit eigentlich nichts Neues, denn auf diese Weise stellten Chemiker schon zuvor Nanosiebe her.
Neu war jedoch das Eisen, das die Forscher der Polymer-Keramik-Mischung untergejubelt hatten. Dieses bildete beim Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff winzige Eisenoxid-Nanopartikel, die in der Keramik eingebettet waren. Nun gleichen sich längst nicht alle Eisenoxide – und auch das Eisen(III)-oxid (Fe2O3), das bei dieser Reaktion entstand, kommt in unterschiedlichen kristallinen Formen mit ebenso unterschiedlichen Eigenschaften vor. Normalerweise würden die Nanokristalle in einer nicht-magnetischen Alpha-Phase auskristallisieren. Offenbar verhindert das Keramikgerüst das jedoch wirkungsvoll und hält das Eisenoxid in der weniger stabilen Lambda-Phase – die jedoch ist magnetisch.
Um genau zu sein, die Eisenoxid-Partikel sind superparamagnetisch. Das bedeutet, ihr Magnetismus lässt sich gewissermaßen durch ein äußeres Magnetfeld an- und abschalten. Das ist natürlich ungemein praktisch, da sich auf diese Weise magnetische Moleküle im Sieb verfangen, die man dann anschließend durch Abschalten des Feldes wieder befreien kann. "Dieses Verfahren ermöglicht erstmals, Proteine nach Größe und mit magnetischer Hilfe zu trennen", freut sich Ulrich Wiesner.
Und nicht nur der Magnetismus der Nanopartikel lässt sich nutzen, so dient Eisenoxid beispielsweise als Katalysator, um das äußerst giftige Kohlenmonoxid in weniger kritisches Kohlendioxid zu überführen. Da das keramische Material Temperaturen bis zu 800 Grad Celsius verträgt, könnte man es laut Wiesner auch für Hochtemperatur-Katalyse-Prozesse verwenden, denn so wie Eisenoxid lassen sich im Prinzip auch viele andere Metalloxide in die Keramik einbauen.
Ein Sieb von solcher Beschaffenheit mit Nanometer großen Poren können Wissenschaftler mittlerweile herstellen, doch reicht die Größe als Sortierkriterium mitunter nicht aus. Deshalb hat Carlos Garcia von der Cornell University im amerikanischen Ithaca zusammen mit seinen Kollegen ein magnetisches Sieb entworfen. Doch warum eigentlich magnetisch, lassen sich doch die meisten Moleküle von einem Magnetfeld nicht sonderlich beeindrucken?
Normalerweise nicht, aber für Biologen und Chemiker ist es mittlerweile ein Leichtes, ein bestimmtes Molekül mit einem geeigneten Marker zu versehen, und der kann auch magnetisch sein. So könnte man beispielsweise entsprechend markierte Proteine schnell aus einer Lösung herausfiltern, da sie allesamt an dem anziehenden Filtermaterial hängen bleiben. Aber wie stellt man so einen magnetischen Nanofilter her?
Dazu mischten Garcia und sein Team ein Polymer mit einem keramischen Material und so genanntem Eisen-Ethylat, wobei sich unter geeigneten Bedingungen von selbst ein von Polymersträngen durchzogenes Verbundmaterial bildete. Im nächsten Schritt glühten die Forscher das Material aus, sodass die organischen Komponenten verdampften und eine keramische Wabenstruktur übrig ließen. Je nach Molekulargewicht des Polymers und dem Verhältnis von organischen und keramischen Bestandteilen ließ sich die Porengröße genau einstellen – soweit eigentlich nichts Neues, denn auf diese Weise stellten Chemiker schon zuvor Nanosiebe her.
Neu war jedoch das Eisen, das die Forscher der Polymer-Keramik-Mischung untergejubelt hatten. Dieses bildete beim Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff winzige Eisenoxid-Nanopartikel, die in der Keramik eingebettet waren. Nun gleichen sich längst nicht alle Eisenoxide – und auch das Eisen(III)-oxid (Fe2O3), das bei dieser Reaktion entstand, kommt in unterschiedlichen kristallinen Formen mit ebenso unterschiedlichen Eigenschaften vor. Normalerweise würden die Nanokristalle in einer nicht-magnetischen Alpha-Phase auskristallisieren. Offenbar verhindert das Keramikgerüst das jedoch wirkungsvoll und hält das Eisenoxid in der weniger stabilen Lambda-Phase – die jedoch ist magnetisch.
Um genau zu sein, die Eisenoxid-Partikel sind superparamagnetisch. Das bedeutet, ihr Magnetismus lässt sich gewissermaßen durch ein äußeres Magnetfeld an- und abschalten. Das ist natürlich ungemein praktisch, da sich auf diese Weise magnetische Moleküle im Sieb verfangen, die man dann anschließend durch Abschalten des Feldes wieder befreien kann. "Dieses Verfahren ermöglicht erstmals, Proteine nach Größe und mit magnetischer Hilfe zu trennen", freut sich Ulrich Wiesner.
Und nicht nur der Magnetismus der Nanopartikel lässt sich nutzen, so dient Eisenoxid beispielsweise als Katalysator, um das äußerst giftige Kohlenmonoxid in weniger kritisches Kohlendioxid zu überführen. Da das keramische Material Temperaturen bis zu 800 Grad Celsius verträgt, könnte man es laut Wiesner auch für Hochtemperatur-Katalyse-Prozesse verwenden, denn so wie Eisenoxid lassen sich im Prinzip auch viele andere Metalloxide in die Keramik einbauen.
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