Of het nu gaat om innovatieve hightech materialen, krachtigere computerchips, farmaceutische producten of op het gebied van hernieuwbare energie, nanodeeltjes vormen de basis voor een hele reeks nieuwe technologische ontwikkelingen. Door de wetten van de kwantummechanica, zulke deeltjes van slechts enkele miljoenste millimeters kunnen zich qua geleidbaarheid totaal anders gedragen, optica of robuustheid dan hetzelfde materiaal op macroscopische schaal. In aanvulling, nanodeeltjes of nanoclusters hebben een zeer groot katalytisch effectief oppervlak in vergelijking met hun volume. Voor veel toepassingen maakt dit materiaalbesparing mogelijk met behoud van dezelfde prestaties.

Onderzoekers van het Institute of Experimental Physics (IEP) van de Technische Universiteit van Graz hebben een methode ontwikkeld om nanomaterialen naar wens te assembleren. Ze laten supervloeibare heliumdruppels met een interne temperatuur van 0,4 Kelvin (d.w.z. min 273 graden Celsius) door een vacuümkamer vliegen en introduceren selectief individuele atomen of moleculen in deze druppels. "Daar, ze smelten samen tot een nieuw aggregaat en kunnen op verschillende substraten worden afgezet, " legt experimenteel natuurkundige Wolfgang Ernst van de TU Graz uit. Hij werkt al vijfentwintig jaar aan deze zogenaamde helium-druppelsynthese, heeft het in die tijd achtereenvolgens verder ontwikkeld, en heeft voortdurend onderzoek op het hoogste internationale niveau voortgebracht, meestal uitgevoerd in "Cluster Lab 3, " die speciaal voor dit doel is opgericht bij het IEP.

Versterking van katalytische eigenschappen

In Nano-onderzoek , Ernst en zijn team rapporteren nu over de gerichte vorming van zogenaamde kern-schil-clusters met behulp van helium-druppelsynthese. De clusters hebben een 3 nanometer kern van zilver en een 1,5 nanometer dikke schil van zinkoxide. Zinkoxide is een halfgeleider die wordt gebruikt, bijvoorbeeld, in stralingsdetectoren voor het meten van elektromagnetische straling of in fotokatalysatoren voor het afbreken van organische verontreinigende stoffen. Het bijzondere aan de materiaalcombinatie is dat de zilveren kern zorgt voor een plasmonische resonantie, d.w.z. het absorbeert licht en veroorzaakt zo een hoge lichtveldversterking. Dit brengt elektronen in een aangeslagen toestand in het omringende zinkoxide, waardoor elektronen-gatparen worden gevormd - kleine porties energie die elders kunnen worden gebruikt voor chemische reacties, zoals katalyseprocessen direct op het clusteroppervlak. "De combinatie van de twee materiaaleigenschappen verhoogt de efficiëntie van fotokatalysatoren enorm. het zou denkbaar zijn om een ​​dergelijk materiaal te gebruiken bij het splitsen van water voor de productie van waterstof, " zegt Ernst, het benoemen van een toepassingsgebied.

Nanodeeltjes voor laser- en magnetische sensoren

Naast de zilver-zinkoxide combinatie, de onderzoekers produceerden andere interessante kern-schaalclusters met een magnetische kern van de elementen ijzer, kobalt of nikkel en een schelp van goud. Goud heeft ook een plasmonisch effect en beschermt ook de magnetische kern tegen ongewenste oxidatie. Deze nanoclusters kunnen zowel door lasers als door externe magnetische velden worden beïnvloed en bestuurd en zijn geschikt voor sensortechnologieën, bijvoorbeeld. Voor deze materiaalcombinaties temperatuurafhankelijke stabiliteitsmetingen en theoretische berekeningen werden uitgevoerd in samenwerking met de IEP-theoriegroep onder leiding van Andreas Hauser en het team van Maria Pilar de Lara Castells (Instituut voor Fundamentele Fysica bij de Spaanse Nationale Onderzoeksraad CSIC, Madrid) en kan het gedrag verklaren bij faseovergangen zoals legeringsvorming die afwijkt van macroscopische materiaalmonsters. De resultaten zijn gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry .

Ernst hoopt nu dat de bevindingen van de experimenten "zo snel mogelijk" snel worden omgezet in nieuwe katalysatoren.