Nanosieb: Membran filtert Nanopartikel und absorbiert Sonnenenergie

  • Links zu sehen ist das Nanofluid mit Goldpartikeln, rechts die gefilterte Lösung. Alle Metallpartikel sind herausgefiltert. (c) CAU, Foto: Claudia EulitzLinks zu sehen ist das Nanofluid mit Goldpartikeln, rechts die gefilterte Lösung. Alle Metallpartikel sind herausgefiltert. (c) CAU, Foto: Claudia Eulitz

Nanosieb: Eine Membran aus Kunststoff-Fäden und Eiweißen ergibt einen neuartigen Filter für mikroskopisch kleine, im Wasser verteilte Teilchen. In dem Cover-Artikel der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials berichten Professor Mady Elbahri und sein Team vom Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und dem Institut für Polymerforschung am Helmholtz-Zentrum Geesthacht über ihr Sieb für Nanopartikel.

Metall-Nanopartikel in Lösung lassen sich nicht durch herkömmliche makroporöse Polymer-Membranen filtern. Denn die Metallpartikel sind 1000-fach dünner als ein menschliches Haar und damit viel zu klein für die drei bis vier Mikrometer großen Öffnungen zwischen den Fäden der Membran. Noch dazu würden kleinere Öffnungen schnell verstopfen. Druck wäre nötig, um die Lösung zu filtern.

Diese Hindernisse umgehen Elbahri und sein Team, indem sie einfache Proteine auf den Fäden der Membran ansiedeln. So wurde herausgefunden, dass ein bestimmtes konventionelles Protein durch Wasser aktiviert wird: Es schalte seine metallbindende Eigenschaft ein, und das Metall werde vom Protein zurückgehalten, erklärt Elbahri. Das sei ein Durchbruch, ergänzt Dr. Shahin Homaeigohar, Mitautor der Forschungspublikation. Das gleiche Prinzip, mit dem die Metallpartikel eingefangen werden können, erlaube im nächsten Schritt, Biomoleküle und winzige Organismen auszusieben.

Von Filtration zur Solarthermie

Filtert das Nanosieb Metallpartikel wie Gold aus der Flüssigkeit, ergibt sich eine weitere Anwendung. Denn mit keiner anderen Methode gelang es bisher, eine so gleichmäßige Verteilung von Metallpartikeln zu erreichen. Das sei unerwartet gewesen, so Elbahri. Im trockenen Zustand nehme die Membran gar die Farbe des Metalls, in diesem Fall das Rot des Goldes, an. Wird das Nanosieb mit den gefilterten Partikeln feucht, wird es jedoch schwarz. Es funktioniere dann als sogenannter ‚black absorber', wobei das Wasser als Speicher für die absorbierte Solarenergie eingesetzt werden könne.

Elbahri ergänzt: Damit schlage die Forschungsgruppe 'Nanochemistry and Nanoengineering' Brücken zwischen verschiedenen Disziplinen wie Chemie, Physik, Biowissenschaften und Materialwissenschaften, ein erster Schritt Richtung Intradisziplinarität der Nanowissenschaft.

Anwendung als Nano- und Biofilter

Die Erfindung wird es künftig ermöglichen, winzige Teilchen, Organismen oder Viren aus Wasser herauszufiltern. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ihre Entwicklung, ein Bio-Nano-Komposit, bereits in Europa patentieren lassen. Ein weiteres Patent für die USA wurde gerade eingereicht. Neben der Einsatzmöglichkeit als Wasserfilter und als Absorber für Sonnenenergie hat das Bio-Nano-Komposit außerdem großes Potenzial im Bereich der Katalyse. Mit dem Nanosieb habe man ein neues funktionales Material hergestellt, das Effizienz in vielen Bereichen verspreche und noch dazu kostengünstig produziert werden könne.

Originalpublikation:
Elbahri M. et al.: Smart Metal-Polymer Bionanocomposites as Omnidirectional Plasmonic Black Absorber by Nanofluid Filtration, Advanced Functional Materials 22, 4771 (2012)

www.uni-kiel.de

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