Forskere syntetiserer nanopartikler skræddersyet til specielle applikationer

Hvad enten det drejer sig om innovative højteknologiske materialer, mere kraftfulde computerchips, lægemidler eller inden for vedvarende energi, nanopartikler danner grundlag for en lang række nye teknologiske udviklinger. På grund af kvantemekanikkens love, sådanne partikler, der kun måler nogle få milliontedele af en millimeter, kan opføre sig helt anderledes med hensyn til ledningsevne, optik eller robusthed end det samme materiale i makroskopisk skala. Ud over, nanopartikler eller nanoklynger har et meget stort katalytisk effektivt overfladeareal sammenlignet med deres volumen. For mange applikationer giver dette mulighed for materialebesparelser, samtidig med at den samme ydeevne bevares.

Forskere ved Institute of Experimental Physics (IEP) ved Graz University of Technology har udviklet en metode til at sammensætte nanomaterialer efter ønske. De lader superflydende heliumdråber med en indre temperatur på 0,4 Kelvin (dvs. minus 273 grader Celsius) flyve gennem et vakuumkammer og indfører selektivt individuelle atomer eller molekyler i disse dråber. "Der, de smelter sammen til et nyt aggregat og kan aflejres på forskellige substrater, " forklarer eksperimentel fysiker Wolfgang Ernst fra TU Graz. Han har arbejdet på denne såkaldte helium-dråbesyntese i femogtyve år nu, har successivt udviklet det yderligere i løbet af denne tid, og har produceret kontinuerlig forskning på højeste internationale niveau, mest opført i "Cluster Lab 3, " som er blevet oprettet specifikt til dette formål på IEP.

Forstærkning af katalytiske egenskaber

I Nano forskning , Ernst og hans team rapporterer nu om den målrettede dannelse af såkaldte kerne-skalklynger ved hjælp af helium-dråbesyntese. Klyngerne har en 3 nanometer kerne af sølv og en 1,5 nanometer tyk skal af zinkoxid. Zinkoxid er en halvleder, der bruges, for eksempel, i strålingsdetektorer til måling af elektromagnetisk stråling eller i fotokatalysatorer til nedbrydning af organiske forurenende stoffer. Det særlige ved materialekombinationen er, at sølvkernen giver en plasmonisk resonans, dvs. det absorberer lys og forårsager dermed en høj lysfeltforstærkning. Dette sætter elektroner i en exciteret tilstand i det omgivende zinkoxid, derved dannes elektron-hul-par - små dele af energi, der kan bruges andre steder til kemiske reaktioner, såsom katalyseprocesser direkte på klyngens overflade. "Kombinationen af ​​de to materialeegenskaber øger effektiviteten af ​​fotokatalysatorer enormt. Derudover, det kunne tænkes at bruge et sådant materiale til vandspaltning til brintproduktion, siger Ernst, navngivning af et anvendelsesområde.

Nanopartikler til laser og magnetiske sensorer

Ud over kombinationen af ​​sølv-zinkoxid, forskerne producerede andre interessante kerne-skal-klynger med en magnetisk kerne af grundstofferne jern, kobolt eller nikkel og en skal af guld. Guld har også en plasmonisk effekt og beskytter også den magnetiske kerne mod uønsket oxidation. Disse nanoclusters kan påvirkes og styres både af lasere og af eksterne magnetfelter og er velegnede til sensorteknologier, for eksempel. For disse materialekombinationer, temperaturafhængige stabilitetsmålinger samt teoretiske beregninger blev udført i samarbejde med IEP teorigruppen ledet af Andreas Hauser og teamet af Maria Pilar de Lara Castells (Institute of Fundamental Physics ved det spanske nationale forskningsråd CSIC, Madrid) og kan forklare adfærden ved faseovergange, såsom legeringsdannelse, der afviger fra makroskopiske materialeprøver. Resultaterne blev offentliggjort i Journal of Physical Chemistry .

Ernst håber nu, at resultaterne fra eksperimenterne hurtigt vil blive overført til nye katalysatorer "så hurtigt som muligt."