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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung hochgeordneter
metallischer Nanostrukturen auf einem Substrat auf der Basis sich
selbst assemblierender Protein- oder DNA-Polymere unter Zugabe einer
Metallsalzlösung.
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Nach
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Erzielung
eines heterogenen Wachstums von Metallclustern bekannt. Dabei ist auch
die Schaffung von Nukleationszentren für ein selektives Wachstum durch
die Nutzung organischer Strukturen bekannt. In der
DE 102 28 056 A1 wird ein Verfahren
beschrieben, bei dem Nukleationszentren an DNA-Molekülen durch
die Anwendung von Metallkomplexen, die kovalent an die Basen der
DNA gebunden sind, geschaffen werden. Dabei dienen die Nukleationszentren
als bevorzugte Orte für
die chemische Abscheidung von Metall aus einer Lösung. Dadurch können unter
Vermeidung einer homogenen und unkontrollierten Abscheidung auf
dem biologischen Templat Metallcluster oder dünne Metallfilme gezielt gewachsen
werden.
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Für teilweise
Metallisierungen kann unter bestimmten Bedingungen die alleinige
Aktivierung mit einer Metallsalzlösung unter aktiver Teilnahme
der die Proteinstruktur bildenden Gruppen für die Reduzierung der Metallkomplexe
ausreichend sein. Durch die Aktivierung entstehen Metall-Nanopartikel,
die als Keimbildungszentren für
eine weitere Metallabscheidung aus der zur Aktivierung verwendeten
Metallsalzlösung
unter Herbeiführung/Einstellung
reduzierender Bedingungen dienen. Nachteilig ist dabei, dass auch
eine homogene Keimbildung in der Lösung und räumlich und zeitlich unkontrolliertes
Clusterwachstum erfolgen können.
Dementsprechend ist für
eine gezielte heterogene Keimbildung und darauf folgendes Clusterwachstum
eine zeitliche und räumliche
Kontrolle auf der Nanometerskala erforderlich.
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Es
ist aus der
WO 97/48837
A1 eine metallische Nanostruktur auf der Basis selbstassemblierter, geometrisch
hochgeordneter Proteine sowie ein Verfahren zu deren Herstellung
bekannt. Gemäß dem Verfahren
werden selbstassemblierte, geometrisch hochgeordnete Proteine mit
einer Metallsalzlösung aktiviert
und anschließend
stromlos in einem Metallisierungsbad unter für die Proteine verträglichen
Bedingungen metallisiert.
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Es
ist hier nachteilig, dass die Reduzierung der Metallsalzlösung durch
eine nasschemische Reaktion mittels des Metallisierungsbades ausgelöst werden
muss, welches sich nicht negativ auf die Proteine bzw. die erreichte
Struktur auswirkt. Außerdem lässt sich
die Metallisierung räumlich
und zeitlich nicht so ausreichend steuern, dass sich eine Nanostruktur
in einer vorgegeben Dimension ausbildet.
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In
der
US 2006/0068090
A1 wird eine Methode für
die Nanostrukturierung von Oberflächen beschrieben. Diese sieht
zunächst
die Schaffung eines selbstassemblierenden Monolayers auf einer glatten Oberfläche vor.
Die Grundsubstanz des Monolayers soll sowohl die Bindung an das
Substrat als auch eine – typischerweise
photokatalytische – Aktivierung erlauben.
Durch die Bewegung eines Nanopartikels über diesen Monolayer bei gleichzeitiger
Aktivierung soll die Nanostrukturierung erreicht werden. Dabei wird
die Strukturierung durch die Beweglichkeit und Genauigkeit der Bewegung
des Nanopartikels vorgegeben bzw. setzt diese Beweglichkeit voraus.
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In
der
EP 1 209 695 A1 wird
ein Verfahren für die
direkte und selektive Metallisierung von Nukleinsäuren durch
metallische Nanopartikel beschrieben, die auf der Reaktion eines
spezifischen Metallkomplexes mit der Nukleinsäure basiert. Die Verbindung aus
Nukleinsäure
und Metallkomplex wird mittels eines Reduktionsmittels zu einer
Verbindung aus Nukleinsäure
und metallischem Nanopartikel entwickelt. Eine Nutzung von in ihrer
Wirkung räumlich
und zeitlich begrenzter elektromagnetischer oder elektrischer Felder
für Keimbildung
und Wachstum ist nicht vorgesehen.
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Es
ist bekannt, dass mit Hilfe von UV-Strahlung eine räumlich und
zeitlich begrenzte Beeinflussung von Polymerstrukturen vorgenommen
werden kann, wobei hier die räumliche
Steuerung auf oberhalb von 50 nm begrenzt ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht dementsprechend darin, Alternativen
zur nasschemischen Reduzierung der Metallkomplexe zu finden und
dabei zusätzlich
das Reaktionsvolumen gezielt unter geometrischen Vorgaben auf der
Nanometerskala vorzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Varianten des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe durch die Nutzung sich selbst assemblierender Protein-
und DNA-Polymere auf geeigneten Substraten und der Ersetzung der
nasschemischen Reduzierung durch eine begrenzte Einwirkung und reduzierende Wirkung
elektromagnetischer oder elektrischer Felder gelöst. Der Wirkungsbereich dieser
Felder kann durch die die Erfindung kennzeichnenden Merkmale definiert
eingestellt werden. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Reaktionszone
dabei für
die Keimbildung und das heterogene Metallclusterwachstum gezielt
auf einzelne Nanometer gemessen von der Oberfläche geeigneter Substrate festlegbar.
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Die
assemblierten Polymerstrukturen werden in einer Variante des Verfahrens
als Gitterstruktur genutzt, ohne dass es einer Aktivierung bedarf. Die
elektromagnetische Feldenergie wird dabei durch Einkopplung von
Röntgenstrahlung
(Photonenenergien im Bereich von ca. 100 eV bis 100 keV) unter Anregung
stehender Wellenfelder bereitgestellt.
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In
einer alternativen Ausgestaltung werden elektrische Felder (Feldenergien
bis zu 100 keV und darüber)
durch gezielte Temperaturänderungen
der hierbei verwendeten pyroelektrischen Substrate generiert.
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Bei
einer weiteren Variante werden die assemblierten Polymerstrukturen
mit einem Metallsalz aktiviert und, für die Erfindung kennzeichnend,
anschließend
ohne nasschemische Schritte allein durch die reduzierende Wirkung
elektromagnetischer oder elektrischer Felder metallisiert.
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Die
der Erfindung zugrunde liegenden selbstassemblierten Strukturen
aus organischen Baugruppen können
durch entsprechende Bindungsaffinitäten, die, wie im Falle der
DNA auch über
die mögliche
Beeinflussung der Watson-Crick Basenpaarung und der Basensequenz
gesteuert werden können,
erreicht werden. Diese Möglichkeit
entspricht dem bekannten Stand der Technik.
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In
der
WO 97/48837 A1 wird
die Erzeugung metallischer Nanostrukturen auf der Basis selbstassemblierter,
geometrisch hochgeordneter Moleküle beschrieben.
Derartige geordnete Molekülstrukturen können auch
die Ausgangsbasis für
das erfindungsgemäße Verfahren
bilden.
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Überraschende
neue Möglichkeiten
ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ersetzung der nasschemischen
Reduzierung durch die oben bereits angeführte reduzierende Wirkung elektromagnetischer
bzw. elektrischer Felder.
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Im
erstgenannten Falle der Reduzierung durch elektromagnetische Felder
wird harte Röntgenstrahlung
eingekoppelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird
die Röntgenstrahlung
nicht global mit der aktivierten geordneten Proteinstruktur in Wechselwirkung
gebracht, sondern lokal begrenzt bzw. moduliert durch die Anregung
stehender Röntgenwellenfelder.
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Die
Anregung stehender Röntgenwellenfelder
wurde prinzipiell in der
DE
197 26 766 A1 beschrieben und ein Verfahren zur Schichtherstellung bzw.
zur Kristallzüchtung
mit dem charakteristischen Kennzeichen der Beeinflussung der Prozesse
durch stehende Röntgenwellenfelder
mit geeigneten Parametern dargestellt. Das physikalische Prinzip
der Wechselwirkung von stehenden Röntgenwellenfeldern mit Kristallen
ist u. a. in bekannten Röntgeninterferometern
verwirklicht und findet vor allem als Grundlage für Untersuchungsmethoden
zur Charakterisierung von Materialien Anwendung.
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Im
Falle von Röntgeninterferenzen
existiert neben dem Strahl der einfallenden Wellen ein weiterer
Strahl („reflektierter
oder gebeugter Strahl”).
Diese Strahlen führen
zusammen zur Ausbildung eines stehenden Wellenfeldes im Raum, welches
sich auch außerhalb
des kristallinen Festkörpers.
oder der Röntgenspiegelstruktur
fortsetzen kann. Dieses stehende Wellenfeld entspricht einer periodischen
Energieverteilung der Röntgenstrahlung,
seine Periode korrespondiert mit dem Abstand der „reflektierenden” Netzebenenschar.
Im Kristall wird die Amplitude eines solchen stehenden Röntgenwellenfeldes
exponentiell gedämpft,
außerhalb
des Kristalls bewirkt v. a. die Kohärenzlänge der Röntgenstrahlung eine Begrenzung
der Ausdehnung. Auch im Falle äußerer Totalreflexion
können
stehende Röntgenwellenfelder mit
in bestimmten Bereichen (Nanometerskala) vorgebbaren Perioden vor
Festkörperoberflächen generiert
werden. Eine dementsprechende erfindungsgemäße Ausgestaltung wird durch
das Ausführungsbeispiel
1 gegeben.
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Im
zweiten genannten Falle der Reduzierung durch elektrische Felder
wird erfindungsgemäß die temporäre Erzeugung
hoher elektrischer Feldstärken bei
Temperaturwechseln pyroelektrischer Substrate genutzt. Dabei sind
die Vorgänge
in der Reaktionszone komplex, da sowohl elektromagnetische Strahlung
als auch durch das elektrische Feld beschleunigt bewegte geladene
Teilchen die chemische Reaktion beeinflussen können. Pyroelektrizität ist durch
Ladungsverschiebung bei zeitlicher Temperaturänderung gekennzeichnet und äußert sich
bei einem primären
pyroelektrischen Effekt durch Veränderung existierender Dipolmomente
bei Erwärmung
des Kristalls und bei einem Sekundäreffekt aufgrund der Änderung
der Ladungsdichte bei thermischer Expansion. Dies kann zu einer
(temporären)
Aufladung der Kristalloberflächen
und damit externen elektrischen Feldern führen, welche innerhalb charakteristischer Zeiten
nicht vollständig
durch freie Ladungen kompensiert (abgeschirmt) werden können. Die
quantitative Beschreibung der Pyroelektrizität erfolgt über die Änderung der spontanen Polarisation
P bei gegebener Temperaturänderung
T, wobei die Stärke
des Effektes durch den pyroelektrischen Koeffizienten p quantifizierbar
ist. Ein auf derart generierten elektrischen Feldern basierendes
erfindungsgemäßes Verfahren
wird durch das Ausführungsbeispiel
2 gegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. in
den Zeichnungen zeigen:
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1 Platincluster
in nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
röntgenographisch
behandeltem S-Layer auf Silizium-Substrat,
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2 Platincluster
in nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
durch Temperaturwechsel behandeltem S-Layer auf pyroelektrischem
Lithiumniobat-Substrat
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Ausführungsbeispiel
1
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Es
wird die Bildung von Platin-Nanoclustern in rekristallisierten S-Layern
(,Surface-Layer') von B. sphaericus
NCTC 9602 auf einem Siliziumsubstrat mit einer Oberflächenrauhigkeit
in der Größenordnung
von 0,1 nm durch die reduzierende Wirkung von Röntgenstrahlung bei Anregung
stehender Röntgenwellenfelder
beschrieben.
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Ausgehend
von einer Lösung
separater Proteinmonomere, welche durch chemische Zerlegung der
Ausgangs-Hüllen
mittels Guanidiniumhydrochlorid (GHCl) gewonnen wurde, erfolgt eine
Rekristallisation zum S-Layer direkt auf dem Substrat. Für diesen
Vorgang ist die Zugabe des Rekristallisationssalzes Magnesiumchlorid,
zur Bereitstellung von positiv geladenen Kationen zum Einbau in
das Proteingitter, nötig.
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Die
entstehende Proteinstruktur besitzt eine vierzählige Symmetrie mit einer Gitterkonstanten
von 12,5 nm und ist durch regelmäßig angeordnete
Poren mit einem Durchmesser von typischerweise 2,0 nm gekennzeichnet.
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Der
S-Layer wird durch Inkubation mit einer Pt(NO3)2-Lösung
aktiviert und anschließend
getrocknet. Für
einen Transport dieser Präparate
und gegebenenfalls eine Lagerung ist eine Verwahrung in einer Kühlbox (optimale
Temperatur von ca. 4°C)
zur Verhinderung von Alterungsprozessen vorgesehen. Der getrocknete
aktivierte S-Layer auf Silizium-Substrat wird anschließend mit
charakteristischer Röntgenstrahlung
in Wechselwirkung gebracht. Dabei wird Cu-Kα-Strahlung (Wellenlänge 1,54 Å, Photonenenergie
8,05 keV) aus einer Laborröntgenröhre genutzt.
Für die
Monochromatisierung und Parallelisierung der Strahlung ist zwischen
Röntgenröhre und S-Layer
ein Göbel-Spiegel
vorgesehen; bei den Röhren-Betriebsparametern
40 kV, 30 mA) ergibt sich eine Intensität von ca. 500000 Cu-Kα-Photonen pro Sekunde
in einem Strahl mit dem geometrischen Querschnitt von ca. 10·0,1 mm2. Der S-Layer wird unter einem Einfallswinkel
von 0,22° (bemessen
zur Oberfläche;
lange Ausdehnung des Strahlbündels parallel
zur Oberfläche
orientiert) für
ca. 24 h bestrahlt. Der Einfallswinkel von 0,22° liegt im Bereich des Grenzwinkels
der Totalreflexion für
Cu-Kα-Strahlung
und das Siliziumsubstrat. Dementsprechend wird bei der o. g. Güte der Oberfläche des
Silizium-Substrats der Großteil
der Strahlintensität
unter einem Winkel von 0,22° (total-)reflektiert.
Einfallender und reflektierter Strahl überlagern sich dann vor der
Oberfläche
des Silizium-Substrats zu einem stehenden Röntgenwellenfeld mit einer räumlichen
Periode von etwa 20 nm. Damit konzentriert sich die elektromagnetische
Feldenergie in dem durch den aktivierten S-Layer belegten Volumen.
Durch die ionisierende Wirkung der Röntgenstrahlung erfolgt eine chemische
Aktivierung exklusiv für
diesen Bereich, in dem heterogene Keimbildung und Cluster-Wachstum erfolgen.
Durch die Periode des stehenden Wellenfeldes ist damit zusätzlich zu
der lateralen geometrischen Vorgabe durch den S-Layer eine Moderation des
Wachstums in senkrechter Richtung möglich.
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Die 1 zeigt
Platincluster mit einem typischen Durchmesser von 2 nm (Porengröße des S-Layers)
die auf diesem Wege synthetisiert wurden (Darstellung mittels HRTEM
(High-Resolution Transmission Electron Microscope); die ternäre Proteinstruktur
wird durch Präparation
und Charakterisierung mittels HRTEM verändert, weshalb die ursprüngliche
Periodizität
in der Abbildung allenfalls lokal erfasst werden kann). Durch Elektronenstrahlbeugung
konnte der kristalline Zustand der Platincluster eindeutig nachgewiesen
werden.
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Ausführungsbeispiel
2
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Es
wird die Bildung von Platin-Nanoclustern in rekristallisierten S-Layern
von B. sphaericus NCTC 9602 auf einem einkristallinen Lithiumniobatsubstrat durch
die reduzierende Wirkung von beschleunigt bewegten geladenen Teilchen
beschrieben. Durch temporär
nicht vollständig
abgeschirmte elektrische Felder werden geladene Teilchen generiert,
die bei ihrer Abbremsung mit der hervorgebrachten elektromagnetischen
Strahlung in ihrer Wirkung überlagert werden.
Voraussetzung für
diesen Prozess ist die Erzeugung eines Temperaturgradienten und
damit die Nutzung der pyroelektrischen Eigenschaften des Materials
Lithiumniobat oder anderer Pyroelektrika.
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Der
verwendete Substratkristall liegt in (0001) Orientierung vor und
berücksichtigt
damit, dass bei hexagonaler Beschreibung der Kristallsymmetrie des
Lithiumniobats die spontane Polarisation entlang der c-Achse des
Kristalls auftritt. Charakteristische Abmaße des Substrats sind ein Durchmesser von
15 mm und eine Dicke von 3 mm. Die Präparation des S-Layers erfolgte
wie im Ausführungsbeispiel 1
und unterscheidet sich lediglich in der Verwendung des Salzes K2[PtCl4] für die Aktivierung
mit Platinkomplexen.
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Der
S-Layer auf Lithiumniobat wird in 6 Heiz- und Abkühlzyklen
bis zu einer Maximaltemperatur von 100°C thermisch behandelt, wobei
die Heizrate zwischen den einzelnen Zyklen von 0,08 K/s bis 0,3 K/s
variiert.
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Die 2 zeigt
Platincluster mit einem typischen Durchmesser von 2 nm (Porengröße des S-Layers),
die auf diesem Wege synthetisiert wurden (Darstellung mittels HRTEM
(High-Resolution Transmission Electron Microscope); die Proteinstruktur wird
durch Präparation
und Charakterisierung mittels HRTEM verändert, weshalb die ursprüngliche
Periodizität
in der Abbildung allenfalls lokal erfasst werden kann).