Nanopartikel spielen in Bereichen wie der Katalyse in der Energietechnik und der biomedizinischen Bildgebung eine zentrale Rolle. Maximilian Spellauge hat seine Dissertation an der Universität Duisburg-Essen im Rahmen einer kooperativen Promotion mit der Hochschule München (HM) verfasst und darin die Grundlagen laserbasierter Herstellungsverfahren systematisch untersucht. Dabei erzielte er zwei wegweisende Ergebnisse: Die maximal erreichbare leistungsspezifische Produktivität bei der Laserabtragung in Flüssigkeit liegt für Gold bei 75 mg/h/W, fast viermal höher als der bisherige Rekordwert von 21 mg/h/W. Für die Aufspaltung einzelner Mikropartikel in kleinere erreichte Spellauge sogar 720 mg/h/W, nahezu eine ganze Größenordnung mehr.
Spellauge führte gezielte Laser-Einzelpuls-Experimente durch, um störende Einflüsse durch Blasenbildung oder bereits erzeugte Partikel auszuschließen. Untersucht wurden die Abtragung von Gold in Flüssigkeit sowie die Fragmentierung einzelner Gold-Mikropartikel in Flüssigkeit. Messungen der Transmission und Reflexion des Lichts lieferten präzise Angaben zur absorbierten Energie. Mit der Pump-Probe-Mikroskopie verfolgte er den gesamten Ablauf der Laser-Materie-Wechselwirkung im Zeitbereich von Pikosekunden bis Millisekunden.
Bei der Ablation von Gold in Flüssigkeit wies Spellauge zwei Entstehungsmechanismen nach: Verdampftes Material kondensiert zu sehr kleinen Partikeln unter zehn Nanometern; der Zerfall einer mechanisch gelösten Oberflächenschicht erzeugt größere Partikel im Bereich von mehrerer zehn Nanometern. Die Effizienz in Flüssigkeit ist gegenüber der Ablation an Luft um den Faktor vier geringer, weil abgetragenes Material teilweise zurückfällt. Die effizientesten Pulsdauern in diesem Prozess liegen zwischen zehn Pikosekunden und einer Nanosekunde.
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Bei der Fragmentierung einzelner Gold-Mikropartikel identifizierte Spellauge drei Mechanismen: zunächst die photothermische Phasenexplosion, bei der die Partikel des Stoffes schlagartig in den Gaszustand übergehen, die folgende Spallation als Abplatzen von Goldpartikeln sowie die Druckfokussierung. Bei letzterer kommt es durch die Überlagerung von Druckwellen zu einer lokalen Druckverstärkung im Partikel, die dessen Fragmentierung in größere Teilstücke begünstigt. Rund zwei Prozent der absorbierten Energie wurden in neue Partikeloberfläche umgesetzt, gegenüber nur 0,1 Prozent bei der Abtragung von Festkörpern. „Die Ergebnisse zeigen, dass die Fragmentierung einzelner Partikel energetisch deutlich effizienter ist als die Ablation eines Festkörpers in Flüssigkeit. Zugleich wird klar, welche physikalischen Mechanismen die Partikelgröße bestimmen – und wie wir diese künftig gezielt beeinflussen können“, sagt der Forscher.
Die Erkenntnisse bieten konkrete Ansatzpunkte zur Prozessoptimierung: Bei der Ablation in Flüssigkeit steigern Pulsaufspaltung oder verlängerte Pulsdauer des Lasers die Produktivität und verbessern die Partikelgrößenverteilung. Bei der Fragmentierung führen die räumliche Formung und Teilung des Laserstrahls ebenfalls zu einer höheren Produktivität und einer gezielteren Einstellung der Partikelgrößenverteilung. Laserbasierte Verfahren kommen ohne chemische Zusätze aus und entsprechen den Prinzipien der Grünen Chemie. Anwendungsfelder sieht Spellauge vor allem in Katalyse und nachhaltiger Energietechnik. Zukünftige Studien sollen die Partikelentstehung zeitaufgelöst beobachten und experimentelle Daten mit numerischen Simulationen verbinden. [HM / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
M. Spellauge, Laser-based nanoparticle generation in liquids : mechanistic insights for advancing size control and process efficiency, kooperative Dissertation HM / UDE / KIT, Februar 2026; DOI: 10.17185/duepublico/84959 - Laserzentrum – Lehr- und Forschungslabor in Photonik und Lasertechnologie, Hochschule München
