Neutronenforschung zeigt: Die Mikrostruktur von Lösungsmitteln beeinflusst Nanomaterialien

19. März 2026

Nanopartikel sind aus unserem modernen Alltag nicht mehr wegzudenken: Sie stecken in Medikamenten, Katalysatoren, Farben oder Hightech-Materialien. Doch obwohl sie extrem klein sind, wurden sie bisher oft unter Verwendung der klassischen chemischen Sichtweise beschrieben, die Lösungsmittel als kontinuierliches Medium oder „additiven” Faktor betrachtet. Eine neue Studie zeigt nun, dass diese Vereinfachungen an ihre Grenzen stoßen – und dass Lösungsmittel auf der Nanoskala eine viel aktivere Rolle spielen als bisher angenommen.

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Dr. Aurel Radulescu vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) hat erstmals quantitativ gemessen, wie sich Lösungsmittelmoleküle auf der Oberfläche von Nanopartikeln organisieren. Das überraschende Ergebnis: In bestimmten Gemischen bilden sich winzige Cluster aus nur wenigen Lösungsmittelmolekülen, die die Oberfläche der Partikel gezielt „angreifen“ und sogar deren Form verändern.

Lösungsmittel sind keine einheitliche Flüssigkeit

In der klassischen Chemie werden Lösungsmittel als eine Art einheitlicher Hintergrund betrachtet. Eigenschaften wie Polarität oder Dielektrizitätskonstante werden gemittelt, und in Gemischen nimmt man an, dass sich die Effekte einfach addieren. Für große Systeme im Volumen oder im Mikrometerbereich funktioniert das gut – aber offenbar nicht für Nanopartikel.

Das liegt daran, dass auf einer Oberfläche von nur wenigen Nanometern jedes Molekül nur eine Handvoll Nachbarn „sieht“. Unter diesen Bedingungen entstehen lokale Strukturen: kleine, kurzlebige Ansammlungen von Lösungsmittelmolekülen, die nur etwa einen Nanometer groß sind. Die Existenz dieser Cluster konnten Forschende nun experimentell nachweisen und quantifizieren.

Neutronen machen Unsichtbares sichtbar

Möglich wurde dies durch eine Kombination aus Kleinwinkel-Neutronenstreuung (KWS) an der Außenstelle des JCNS am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching und am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble und aufwendige Computersimulationen. „Dadurch konnten wir nicht nur die Struktur der Nanopartikel bestimmen, sondern auch mit molekularer Präzision auflösen, wie sich das Lösungsmittel an der organischen Hülle der Partikel organisiert und die Formveränderung der Partikel vorantreibt“, erklärt Dr. Radulescu, Instrumentenverantwortlicher des für die Studie genutzten Neutronen-Kleinwinkel-Diffraktometers KWS-2, das das Forschungszentrum Jülich am MLZ betreibt. „Mithilfe der Neutronen-Kontrastvariationstechnik alleine kann man die konkurrierenden Strukturmodelle Kugel und Ellipse nicht sicher unterscheiden, aber wir haben gezeigt, dass dies in Kombination mit Monte-Carlo-Berechnungen eindeutig gelingt.“

Untersuchungsobjekt waren Goldnanopartikel, die mit einer dünnen Schicht organischer Moleküle bedeckt waren. Je nach Mischung der beiden verwendeten Lösungsmittel veränderte sich diese Hülle erheblich – und zwar nicht gleichmäßig, sondern hoch nichtlinear.

Von perfekten Kügelchen zu länglichen Partikeln

Besonders erstaunlich: war, Bei bestimmten Mischungsverhältnissen verloren die Nanopartikel ihre kugelförmige Symmetrie und wurden leicht länglich. Veränderungen des Mischungsverhältnisses brachten die Kugelform zurück.

Der Effekt trat genau am sogenannten azeotropen Punkt auf – d. h. bei Zusammensetzungen, in denen sich die beiden Lösungsmittel wie eine einzige reine Komponente verhalten und die Bildung winziger Lösungsmittelcluster am stärksten ausgeprägt war.

Formänderung, verstärktes Eindringen von Lösungsmittel und maximale Clusterbildung traten immer gemeinsam auf. Damit konnten die Forschenden erstmals direkt nachweisen, dass die mikroskopische Struktur eines Lösungsmittels die Geometrie von Nanopartikeln steuert.

Ein universeller Mechanismus

Der Effekt beschränkt sich nicht auf ein einzelnes System. Er zeigte sich:

• bei organischen Oberflächenmolekülen unterschiedlicher Länge,
• bei sehr unterschiedlichen Lösungsmittelpaaren,
• sogar bei Lösungsmittelgemischen ohne Wasserstoffbrückenbindung.

Dies deutet auf einen allgemeinen physikalischen Mechanismus hin: Nicht-ideale Mischungen erzeugen lokale Lösungsmittelstrukturen, die zu Symmetriebrüchen auf gekrümmten Oberflächen führen.

Warum dies wichtig ist

Die Ergebnisse stellen grundlegende Annahmen in der Kolloid- und Nanochemie in Frage. Im Nanobereich können Lösungsmittel nicht mehr als passive Umgebung betrachtet werden – sie werden zu aktiven strukturbestimmenden Faktoren.

Dies eröffnet neue Möglichkeiten:

• Die Form und Stabilität von Nanopartikeln könnte durch die Wahl des richtigen Lösungsmittels gezielt gesteuert werden.
• Selbstorganisation und Aggregation ließen präziser kontrollieren.
• Die Ergebnisse sind auch für Polymere, Biomoleküle und Hybridmaterialien relevant.

Kurz gesagt: Wer in Zukunft Nanomaterialien entwickeln will, muss nicht nur die Partikel selbst berücksichtigen, sondern auch die Feinheiten der oft unsichtbaren Struktur des Lösungsmittels, in dem sie schwimmen.

Originalveröffentlichungen:

Quantifying Å-Scale Non-Additive Solvation at Nanoparticle Interfaces; Xindi Liu et al., Angewandte Chemie, Volume 64, Issue 48, November 24, 2025, e202516308; https://doi.org/10.1002/anie.202516308

Small-angle neutron scattering differentiates molecular-level structural models of nanoparticle interfaces; Yujie Wu et al., Nanoscale, 2025,17, 3798-3808; https://doi.org/10.1039/D4NR04365K