Schutzschild aus Nanopartikeln macht Leuchtstoffe langlebiger für Hightech-Anwendungen
Silica-Partikel schirmen leuchtende Moleküle vor Sauerstoff ab
Sie sind winzig, aber strahlen intensiv: spezielle lichtemittierende Moleküle, die in der Energieforschung, Umweltanalytik und medizinischen Diagnostik zum Einsatz kommen. Ihre Leuchtkraft wurde bisher jedoch durch den Sauerstoff in der Luft stark eingeschränkt. Forschende der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) haben nun eine Art „Nano-Schutzschild“ entwickelt: Eingebettet in nanoskalige Silica-Partikel bleiben die leuchtenden Moleküle deutlich länger stabil und lichtstark – ein bedeutender Fortschritt für zukunftsweisende Technologien.
Viele moderne Technologien nutzen lichtemittierende Moleküle, sogenannte Luminophore. Sie kommen beispielsweise als Kontrastmittel für bildgebende Verfahren in der Medizin oder in Solarzellen zum Einsatz. Besonders vielversprechend sind Verbindungen wie Chrom(III)-Komplexe, auch „molekulare Rubine“ genannt, wie sie Prof. Katja Heinze von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickelt hat. „Diese Moleküle können mehr als eine Millisekunde lang Licht abstrahlen. Das ist ideal für viele Hightech-Anwendungen“, erklärt Ute Resch-Genger von der BAM, die das DFG-Projekt NILE-CHROME 2.0 zusammen mit Katja Heinze leitet. „Aber gleichzeitig sind sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und können an Leuchtkraft verlieren.“
Ein interdisziplinäres Forschungsteam hat nun eine einfache Lösung gefunden, um die empfindlichen Moleküle vor Sauerstoff zu schützen. Die Wissenschaftler*innen haben aufbauend auf der Silica-Expertise von BAM-Forscherin Isabella Tavernaro die Luminophore in winzige Silica-Nanopartikel eingebettet. Nanopartikel aus Siliziumdioxid (SiO₂), also dem Hauptbestandteil von Quarzglas, sind chemisch stabil und biologisch verträglich. Durch die Einkapselung der Moleküle bilden sie im Falle dieser speziell hergestellten Silica-Nanopartikel eine Art Schutzschild vor äußeren Einflüssen. So bleibt ihre Leuchtkraft erhalten.
Innovative Synthese-Methode
Um die Luminophore vor Sauerstoff zu schützen, testete das Team verschiedene Herstellungsverfahren für Silica-Nanopartikel. Die effektivste Lösung bot eine wenig bekannte Synthese-Methode mit der natürlichen Aminosäure L-Arginin als Katalysator. Dabei werden die Luminophore in einer zweistufigen Synthese direkt in die wachsenden Nanopartikel integriert, wodurch sie vollständig vor Sauerstoff abgeschirmt sind. Messungen haben bestätigt, dass diese Verkapselung die Leuchtkraft der Moleküle langfristig bewahrt.
Diese innovative Methode könnte die Entwicklung langlebiger Leuchtstoffe auf Basis sauerstoffsensitiver Materialien vorantreiben. Besonders spannend ist sie für sogenannte Aufkonvertierungsmaterialien bzw. „Upconversion-Materialien“. Solche derzeit intensiv erforschten Materialsysteme können Lichtenergie gezielt umwandeln, also beispielsweise grünes Anregungslicht in eine blaue Emission überführen. So könnten zukünftig neue leistungsfähige photonische Materialien entstehen, z.B. optische Sonden, die berührungslos präzise Messungen durchführen, oder neue lumineszente Kodierungen.
Beteiligte Partner und Förderung
Das Projekt wurde gemeinsam mit Wissenschaftler*innen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universität Wien durchgeführt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nano Research veröffentlicht.
Gefördert wurde die Forschung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) – Vh RE 1203/23-2, Projektnummer 326469115) und der Novo Nordisk Foundation Denmark (Interdisciplinary Synergy Programme 2021; Projekt MiGraGen).
Weiterführende Informationen:
Pressemitteilung BAM vom 24.04.2025