Löchrige Nanodiamanten
Winzige Diamanten in wässriger Lösung zeigen Löcher im Valenzband.
Nanodiamanten sind winzige Kristalle, die zwar die kristalline Struktur von Diamanten besitzen, aber aufgrund ihrer enormen Oberflächen andere Eigenschaften als ihre großen Brüder aufweisen. Nanodiamanten lassen sich zum Beispiel als Wirkstofftaxis für biomedizinische Anwendungen oder als Katalysatoren für die Wasserspaltung nutzen. Doch wie unterscheiden sich die elektronischen Eigenschaften von Nanodiamanten auf einem festen Substrat von den Eigenschaften, die Nanodiamanten in wässrigen Lösungen aufweisen? Tristan Petit im Team um Emad F. Aziz hat dies nun mit Hilfe von Absorptions- und Emissionsspektroskopie an BESSY II untersucht. Dabei zeigten sie, dass Nanodiamanten in wässriger Lösung Löcher im Valenzband aufweisen.
Abb.: Nanodiamanten messen nur wenige Nanometer im Durchmesser und bestehen aus einigen tausend Kohlenstoffatomen. (Bild: M. Sennour, MINES ParisTech)
„In Wasser ist die Wechselwirkung zwischen den Nanodiamanten und den benachbarten Molekülen und Ionen besonders stark“, erklärt Petit. Durch Zugabe von Salzen oder der Veränderung des PH-Werts lässt sich zum Beispiel beeinflussen, wie gut Nanodiamanten bestimmte Wirkstoffe absorbieren. Bei ihrer Untersuchung haben Petit und seine Kollegen entdeckt, dass sich die elektronischen Zustände bei Nanodiamanten auf festen Substraten deutlich von denen unterscheiden, die Nanodiamanten in wässriger Lösung besitzen.
Mit Hilfe der Mikrojet-Technik, die von Emad Aziz am HZB entwickelt wurde, untersuchten sie die flüssigen Proben im Vakuum mit Röntgenspektroskopie und ermittelten ein detailliertes Bild von besetzten und unbesetzten Elektronenzuständen in Valenz- und Leitungsbändern. Sie fanden, dass sich in der wässrigen Dispersion an den Oberflächen der Nanodiamanten so genannte „Löcher“, also fehlende Elektronen, im Valenzband bilden: „Dies deutet darauf hin, dass an der Oberfläche von Nanodiamanten Elektronen an die umgebenden Wassermoleküle abgegeben werden“, sagt Petit.
Über die elektronische Struktur der Nanoteilchen könnte man auch ihre chemischen, optischen und katalytischen Eigenschaften beeinflussen, vermuten die Physiker. In weiteren Untersuchungen möchten sie abklären, ob sich die katalytische Wirkung von Nanodiamanten in wässriger Umgebung für die lichtinduzierten Aufspaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gezielt steigern lässt.
HZB / DE
