Tests der Nanoverbrennung im Schockrohr ergaben, dass das Nanoverbundmaterial Verbrennungswellen mit Geschwindigkeiten von 1500 bis 2300 Metern pro Sekunde erzeugen kann, was im Mach-3-Bereich liegt. Bildnachweis: S. Apperson et al.

Durch Mischen von Nanomaterialien, die als Brennstoff und Oxidationsmittel dienen, haben Forscher einen brennbaren Nanosprengstoff geschaffen, der Stoßwellen mit Mach-Zahlen bis zu 3 erzeugen kann.

Das Forscherteam, eine Zusammenarbeit von der Universität von Missouri-Columbia (UMC) und der US-Armee, hofft, dass diese „intelligente Bombe“ in Nanogröße die Medikamentenabgabe an Krebszellen lenken und gesunde Zellen unversehrt lassen kann. Ihre Studie wurde kürzlich in einer Ausgabe der Applied Physics Letters veröffentlicht .

"Nanotechnologische Thermit-Werkstoffe können Stoßwellen erzeugen, und ihre Eigenschaften ähneln denen einiger primärer Sprengstoffe auf Bleibasis", sagte Shubhra Gangopadhyay, Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik an der UMC, gegenüber PhysOrg.com . „Daher sind diese Materialien möglicherweise in der Lage, Primärsprengstoffe auf Bleibasis zu ersetzen. Mit diesen kompakten Mikrochipsystemen können wir dieses Material auch in die Mikrochiptechnologie integrieren und Stoßwellen erzeugen. Dieses Mikrosystem hat viele Anwendungen in der Verteidigung sowie in den Biowissenschaften, wie die gezielte Abgabe von Arzneimitteln und Genen. “

Die Forscher erklären, dass Nanothermit-Verbundwerkstoffe aus metallischem Brennstoff und anorganischem Oxidationsmittel „hervorragende“ Verbrennungseigenschaften aufweisen. Das Mischen eines Verbundwerkstoffs mit niedriger Dichte aus Kupferoxid-Nanostäben (Brennstoff) und Aluminium-Nanopartikeln (Oxidationsmittel) führt zu einer großen Kontaktfläche zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel. Im Nanobereich können die geringe Dichte und die große Kontaktfläche des Nanothermit-Verbundwerkstoffs zu einer sich schnell ausbreitenden Verbrennung führen.

Das Team testete die Verbrennung in einem mit optischen Fasern und Drucksensoren bestückten Stoßrohr, um die Geschwindigkeit der Verbrennungswelle zu messen. Sie fanden heraus, dass die Nanokomposite Verbrennungswellen mit Geschwindigkeiten von 1500 bis 2300 Metern pro Sekunde erzeugen können, was im Mach 3-Bereich liegt.

Die Kraft dieser Nanosprengstoffe könnte zu einem Durchbruch bei der Wirkstoffabgabe bei Krebs und HIV führen, erklären die Forscher. Erstens würden Medikamente wie üblich mit einer Nadel verabreicht, die sich über den gesamten Körper verteilt. Aber dann würde ein auf den Tumor gerichtetes Handgerät einen Impuls in den Tumor senden. Die Stoßwellen, die der Puls erzeugt, würden winzige Löcher in die Zellen bringen, auf die er abzielte, und dem Medikament erlauben, in die Tumorzellen einzudringen. Ferner würde die Kraft der Stoßwellen die Wirkstoffe innerhalb von Millisekunden zu diesen Zellen befördern.

Die Forscher haben die Methode an tierischem Gewebe getestet und eine Erfolgsrate von 99% nachgewiesen - fast alle Zellen haben die Medikamente ordnungsgemäß akzeptiert. Gesunde Zellen zeigen dagegen deutlich weniger Nebenwirkungen als herkömmliche Behandlungen wie die Chemotherapie. Wie Gangopadhyay erklärt, haben die Nanosprengstoffe einige andere Eigenschaften als herkömmliche Sprengstoffe.

"Bei konventionellen Sprengstoffen werden während der Detonation Stoßwellen erzeugt", sagt sie. „Bei Nanothermiten können sich schnell ausbreitende chemische Reaktionen Stoßwellen ohne Detonation erzeugen.“ Die Erzeugung von Stoßwellen ohne Detonation ist der Schlüssel zu dieser Technologie, sagt sie.

Wenn alles gut geht, hoffen die Forscher, das Gerät in zwei bis fünf Jahren einsatzbereit zu haben. Neben biomedizinischen Anwendungen könnten die Nanosprengstoffe auch in anderen Bereichen wie der Geologie und der Seismologie von Nutzen sein. Ursprünglich wurde die Technologie in der Armee zur Erkennung von IEDs (improvisierten Sprengkörpern) eingesetzt, bei denen Stoßwellen, die in den Boden gesendet wurden, ein Bild dessen geben konnten, was darunter liegt.

Weitere Informationen: S. Apperson et al. „Erzeugung von sich schnell ausbreitenden Verbrennungs- und Stoßwellen mit Kupfer-Aluminium-Nanothermit-Verbundwerkstoffen.“ Applied Physics Letters 91, 243109 (2007).

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