Die Bildung von Nanopartikeln und Nanostrukturen – CaCO₃, Zement und Polymere aus Sicht der Industrie

Abstract

Nanotechnologie ermöglicht die Herstellung von Materialien mit hervorragenden Leistungscharakteristika. Ein Schlüsselelement der Nanotechnologie ist die Fähigkeit, Materie auf der Nanoskala zu manipulieren und zu steuern, um einen gewünschten Mix aus spezifischen Eigenschaften zu erhalten. Hier stellen wir jüngste Erkenntnisse zu den Bildungsmechanismen von anorganischen Nanopartikeln im Rahmen von Fällungsreaktionen vor. Am Beispiel von Calciumcarbonat beschreiben wir die verschiedenen Zwischenstufen, die auf dem Weg von den gelösten Ionen bis zu stabilen Makrokristallen auftreten können – einschließlich gelöster Ionencluster, flüssiger Phasen, amorpher Zustände und Nanopartikeln. Die Rolle von Polymeren bei der Nukleation, Templatierung, Stabilisierung und/oder Verhinderung dieser Strukturen wird skizziert. Als Beispiel für angewandte Nanotechnologie diskutieren wir die Eigenschaften von Zement, die durch die Bildung und das Ineinandergreifen von Calcium‐Silikat‐Hydrat‐Nanoplättchen festgelegt werden. Die Aggregation dieser Plättchen hin zu mesoskaligen Gebilden kann mithilfe von Polymeren gesteuert werden.

Water: How Does It Influence the CaCO3 Formation?

“…The formation of these amorphous precursors has been described by classical nucleation and growth models as well as by nonclassical models. The exact mechanisms by which ACC forms are still debated, in part because it is difficult to experimentally probe early stages of the CaCO 3 formation with a sufficiently high simultaneous temporal and spatial resolution . Nevertheless, it is clear that water plays an important role in the different stages of the CaCO 3 formation.…”

“…However, in most synthetic systems the solutions are supersaturated also with respect to ACC such that the first phase that forms is typically ACC . The mechanisms of ACC formation are still debated and most likely depend on the exact synthesis conditions . Different types of intermediate species, such as prenucleation clusters (PNCs) and liquid precursors, have been reported to precede the ACC formation, as summarized in Figure .…”

Water Dynamics from THz Spectroscopy Reveal the Locus of a Liquid–Liquid Binodal Limit in Aqueous CaCO3 Solutions

“…Calcium carbonate (CaCO 3 ) is central to phenomena such as rock formation, biomineralization, or the scaling (incrustation) of pipelines . Investigations of its nucleation process and of the influence of soluble additives are relevant for the development of new materials and CO 2 sequestration . However, the mechanism of CaCO 3 nucleation is still under debate .…”

Entropy Drives Calcium Carbonate Ion Association

“…Nucleation of solid particles from supersaturated solutions is an elementary step in any reaction that involves crystallisation or precipitation, and thus is of inherent importance to numerous processes and applications . However, despite extensive research in this field for more than a century, the actual mechanisms of the onset and progress of phase separation are still under considerable debate, as reflected in a rapidly increasing number of related studies over the past few years .…”