Forschung & Entwicklung

Nanopartikel nach Maß

Core-Shell-Cluster ebnen den Weg für neue effiziente Nanomaterialien, die Katalysatoren, Magnet- und Lasersensoren oder Messgeräte zum Aufspüren von elektromagnetischer Strahlung effizienter machen.

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 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 beziehungsweise Nanocluster im Vergleich zu ihrem Volumen eine sehr große Oberfläche, die katalytisch wirksam ist. Das erlaubt für viele Anwendungen eine Materialersparnis bei gleichbleibender Leistung.

Forscher 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 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 Professor Wolfgang Ernst.

Die Cluster haben einen 3 nm großen Kern (Core) aus Silber und einem 1,5 nm dicken Mantel (Shell) aus dem Halbleiter Zinkoxid. 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, zum Beispiel für Katalyseprozesse direkt an der Clusteroberfläche. „Die Kombination der beiden Materialeigenschaften steigert die Effizienz von Fotokatalysatoren ungemein – außerdem wäre es denkbar, so ein Material in der Wasserspaltung zur Wasserstoffgewinnung einzusetzen“, nennt Ernst ein Einsatzgebiet.

Neben der Silber-Zinkoxid-Kombination erzeugten die Forscher 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.

Ernst hofft nun, dass die Erkenntnisse aus den Experimenten zügig in neue Katalysatoren überführt werden.

von mn

Originalveröffentlichungen:

[A. Schiffmann, T. Jauk, D. Knez, H. Fitzek, F. Hofer, F. Lackner, W. E. Ernst, Helium droplet assisted synthesis of plasmonic Ag@ZnO core@shell nanoparticles, Nano Research, DOI: 10.1007/s12274-020-2961-z]

[M. Schnedlitz, D. Knez, M. Lasserus, F. Hofer, R. Fernández-Perea, A. W. Hauser, M. Pilar de Lara-Castells, W. E. Ernst, Thermally Induced Diffusion and Restructuring of Iron Triade (Fe, Co, Ni) Nanoparticles Passivated by Several Layers of Gold, J. Phys. Chem. C 124 (2020), DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c04561]

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