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TU Graz Forschende modellieren Nanopartikel nach Maß

Ob bei innovativen Baustoffen, leistungsfähigeren Computerchips, bei Medikamenten oder im Bereich erneuerbarer Energien: Nanopartikel als kleinste Bausteine von Materialien stellen die Basis für eine ganze Reihe neuer technologischer Entwicklungen dar. Ein Material, das gezielt aus solchen wenigen Millionstel Millimetern großen Teilchen zusammengesetzt wurde, kann sich aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik in punkto Leitfähigkeit, Optik oder Robustheit gänzlich anders verhalten als das gleiche Material im makroskopischen Maßstab. Außerdem besitzen Nanopartikel bzw. Nanocluster im Vergleich zu ihrem Volumen eine sehr große Oberfläche, die katalytisch wirksam ist. Das erlaubt für viele Anwendungen eine Materialersparnis bei gleichbleibender Leistung.

Forschende am Institut für Experimentalphysik (IEP) der TU Graz haben eine Methode entwickelt, mit der Nanomaterialien wunschgerecht zusammengebaut werden können. Sie lassen supraflüssige Heliumtröpfchen bei Temperaturen von 0,4 Kelvin (Minus 273 Grad Celsius, Anm.) durch eine Vakuumkammer fliegen und bringen gezielt einzelne Atome oder Moleküle in diese Tröpfchen ein. „Diese verschmelzen dort zu einem neuen Aggregat und können auf verschiedenen Substraten deponiert werden“, erklärt TU Graz-Experimentalphysiker Wolfgang Ernst. Er beschäftigt sich seit nunmehr fünfundzwanzig Jahren mit dieser sogenannten Heliumtropfen-Synthese, hat sie in dieser Zeit sukzessive weiterentwickelt und die darauf ausgerichtete Forschung im eigens dafür aufgebauten „Cluster 3 Labor“ am IEP auf höchstem internationalem Niveau etabliert.

Verstärkung katalytischer Eigenschaften

In Nano Research berichten Ernst und sein Team nun über die gezielte Bildung von sogenannten Core-Shell-Clustern mithilfe der Heliumtropfen-Synthese. Die Cluster haben einen 3 Nanometer großen Kern (Core) aus Silber und einem 1,5 Nanometer dicken Mantel („Shell“) aus Zinkoxid. Zinkoxid ist ein Halbleiter, der beispielsweise Anwendung findet in Strahlungsdetektoren zum Messen von elektromagnetischer Strahlung oder in Photokatalysatoren zum Abbau organischer Schadstoffe. Das besondere an der Materialkombination: Der Silberkern liefert eine plasmonische Resonanz, das heißt er absorbiert Licht und bewirkt so eine hohe Lichtfeldverstärkung. Diese versetzt im umgebenden Zinkoxid Elektronen in einen angeregten Zustand, es bildet dabei Elektron-Loch-Paare – kleine Energieportionen, die an anderer Stelle für chemische Reaktionen genutzt werden können, wie zum Beispiel für Katalyseprozesse direkt an der Clusteroberfläche. „Die Kombination der beiden Materialeigenschaften steigert die Effizienz von Photokatalysatoren ungemein – außerdem wäre es denkbar, so ein Material in der Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung einzusetzen“, nennt Ernst ein Einsatzgebiet.

Nanoteilchen für Laser- und Magnetsensoren

Neben der Silber-Zinkoxid-Kombination erzeugten die Forschenden weitere interessante Core-Shell-Cluster mit einem magnetischen Kern aus den Elementen Eisen, Kobalt oder Nickel und einer Schale aus Gold. Gold wirkt ebenfalls plasmonisch und schützt den magnetischen Kern außerdem vor ungewollter Oxidation. Diese Nanocluster können sowohl durch Laser wie auch durch äußere Magnetfelder beeinflusst sowie kontrolliert werden und eignen sich beispielsweise für die Sensortechnologien. Für diese Materialkombinationen wurden temperaturabhängige Stabilitätsmessungen sowie theoretische Rechnungen in Zusammenarbeit mit der IEP-Theoriegruppe rund um Andreas Hauser und dem Team von Maria Pilar de Lara Castells (Institute of Fundamental Physics am spanischen National Research Council CSIC, Madrid) durchgeführt, die das von makroskopischen Materialproben abweichende Verhalten bei Phasenübergängen wie einer Legierungsbildung erklären können. Die Ergebnisse wurden im Journal of Physical Chemistry veröffentlicht.

Ernst hofft nun, dass die Erkenntnisse aus den Experimenten zügig in neue Katalysatoren überführt werden, wobei die Umsetzung hoffentlich rasch erfolgen kann.

Diese Forschung ist im Field of Expertise Advanced Materials Science verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern der TU Graz. Das Cluster 3 Labor wurde aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) mit Unterstützung der Europäischen Union und des Landes Steiermark aufgebaut, die Messungen zur Photoelektronenspektroskopie der Teilchen konnten mit Hilfe eines Photoemission-Elektronenmikroskops im Rahmen der Hochschulraum-Strukturmittel der Österreichischen Bundesregierung durchgeführt werden. Die Arbeit wurde außerdem durch drei Projekte des Österreichischen Forschungsfond FWF unterstützt.

Originalpublikationen:

Helium droplet assisted synthesis of plasmonic Ag@ZnO core@shell nanoparticles, Alexander Schiffmann, Thomas Jauk, Daniel Knez, Harald Fitzek, Ferdinand Hofer, Florian Lackner, Wolfgang E. Ernst, Nano Research, DOI: 10.1007/s12274-020-2961-z

Thermally Induced Diffusion and Restructuring of Iron Triade (Fe, Co, Ni) Nanoparticles Passivated by Several Layers of Gold, Martin Schnedlitz, Daniel Knez, Maximilian Lasserus, Ferdinand Hofer, Ricardo Fernández-Perea, Andreas W. Hauser, Marı́a Pilar de Lara-Castells, and Wolfgang E. Ernst, The Journal of Physical Chemistry, DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c04561

www.tugraz.at

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