05.08.2020

Nanoteilchen nach Wunsch

Core-Shell-Cluster ebnen den Weg für neue effiziente Nanomaterialien.

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 oder 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 nun eine Methode entwickelt, mit der Nano­materialien wunschgerecht zusammengebaut werden können.

Abb.: Diese Grafik zeigt die stufen­weise Synthese von Silberzink­oxid...
Abb.: Diese Grafik zeigt die stufen­weise Synthese von Silberzink­oxid Core-Shell-Clustern. (Bild: IEP, TU Graz)

Die Wissenschaftler 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 Wolfgang Ernst. Er beschäftigt sich seit nunmehr fünfund­zwanzig Jahren mit dieser 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. Die nun gefertigten Cluster haben einen drei Nanometer großen Kern aus Silber und einen anderthalb Nanometer dicken Mantel 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.  

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. 

TU Graz / JOL

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