Hochreine Nanopartikel

Laserbasierte Synthese im Multigramm-Maßstab

  • Abb. 1: Prinzip der laserbasierten Nanopartikelsynthese - ein Laserstrahlt trifft auf ein „Target“ welches sich in einer Flüssigkeit befindet und erzeugt durch diese Interaktion Nanopartikel. Abb. 1: Prinzip der laserbasierten Nanopartikelsynthese - ein Laserstrahlt trifft auf ein „Target“ welches sich in einer Flüssigkeit befindet und erzeugt durch diese Interaktion Nanopartikel.
  • Abb. 1: Prinzip der laserbasierten Nanopartikelsynthese - ein Laserstrahlt trifft auf ein „Target“ welches sich in einer Flüssigkeit befindet und erzeugt durch diese Interaktion Nanopartikel.
  • Abb. 2: Das weltweit leistungsstärkste Lasersystem zur Kolloidsynthese in Action - Erzeugung eines Goldkolloids durch Laserablation eines Gold-Targets in einer Durchflusskammer.
  • Abb. 3: Vom Kolloid zum Produkt – Im Hintergrund ist ein Silber-Kolloid zu sehen, aus welchem ein Nanopartikel-Polymer-Komposit (zu sehen im abgebildeten Fläschchen) erhalten wird. Dieses Komposit kann im Labor dann zu einem Halbzeug verarbeitet werden (links im Bild zu sehen), aus welchem beispielsweise ein optisches Filter (rechts im Bild) produziert werden kann.
Werkstoffe und Werkzeuge prägen seit jeher den Menschen. So wurden bedeutende Epochen der Menschheitsgeschichte – Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit – nach den jeweils dominierenden Werkstoffen bzw. Werkzeugen benannt. Welches Werkzeug hat das Zeitalter, in dem wir heute leben, so sehr geprägt, dass sie als Namensgeber fungieren könnte?
 
Querschnittstechnologie aus Photonik und Nanotechnologie
Das Licht ist ein solches Werkzeug. Um die Bedeutung von Licht und optischen Technologien für „unser Leben, unsere Zukunft sowie die gesellschaftliche Entwicklung“ hervorzuheben, wurde das Jahr 2015 von der Generalversammlung der Vereinten Nationen zum Internationalen Jahr des Lichts und der lichtbasierten Technologien ausgerufen. Ein anderer potenzieller Namensgeber für unsere Epoche ist die Nanotechnologie, einer der stärksten Innovationsmotoren in der Forschung und Entwicklung. „Nanopartikelsynthese mittels Laserstrahlung“ ist eine Querschnittstechnologie, die ihre Kraft aus diesen beiden bahnbrechenden Bereichen zieht (Abb. 1). Sie genießt ein immer größer werdendes Interesse, auch bedingt durch zahlreiche Applikationen in den Bereichen Energie, Katalyse, Optik, Analytik und Biologie. So forschen heute weltweit über 350 Forschungsinstitute an der laserbasierten Synthese von Nanopartikeln und deren Anwendungen.
 
Vergleich mit konventionellen Methoden zur Nanopartikelsynthese
Kommerzielle Methoden zur Nanopartikelsynthese, wie das Sol-Gel-Verfahren oder die Gasphasensynthese, weisen eklatante Defizite, wie beispielsweise Verunreinigungen durch potentiell toxische Hilfsstoffe (Precursoren und Additive) auf. Gerade für anspruchsvolle Anwendungen in der Kunststoff- und Medizintechnik werden jedoch hochreine und stabile Partikel benötigt [1]. Darüber hinaus verlangen die Anwender oftmals nach Nanopartikeln aus neuen Materialien [2], Legierungen oder auch nach Mischungen aus Nanopartikeln für den Einbau und die Kombination von Nanoeffekten in ihre Produkte [3].

Hierbei handelt es sich um Eigenschaften und Anwendungen, die lasergenerierte Nanopartikel besitzen bzw. adressieren können [4]. Doch bislang werden diese hochreinen Partikel längst nicht so umfassend verwendet, wie man es bei den aufgezählten Vorteilen vermuten könnte. Das liegt daran, dass klassische Laser nur begrenzte Mengen von einigen Milligramm pro Stunde produzieren können. Dies änderte sich durch die Fortschritte der letzten Jahre in der Laserentwicklung. 

 
Hochskalierung der Nanopartikelsynthese
Heute wird das weltweit schnellste und leistungsstärkste (Pikosekunden-) Lasersystem verwendet, um die Nanopartikelsynthese vom Labormaßstab in den Industriemaßstab zu übertragen (Abb. 2). Jedoch ist die Geschwindigkeit des Lasers allein nicht das Einzigartige. Man stelle sich folgenden Vergleich vor: Die neuesten und leistungsstärksten Laser auf dem Weltmarkt würden den stärksten und schnellsten Pferden auf Erden entsprechen. In diesem Vergleich wären die Pferde wild und ungebändigt, so dass man weder die Stärke noch die Schnelligkeit auf eine Rennbahn bringen könnte. Bei der laserbasierten Nanopartikelsynthese wird nun ein ausgeklügeltes System aus optischen Komponenten verwendet, mit welchem das „Pferd“, also der Laser, gebändigt wird, so dass die volle Stärke und Schnelligkeit des Pferdes auf die Rennbahn gelenkt werden kann. Dadurch kann der 500 Watt starke Laserstrahl mit etwa 1.800 km/h präzise und kontinuierlich über ein Plättchen, das in einer Flüssigkeit liegt, rasen und daraus winzigste Nanopartikel generieren (Abb. 1). Dabei werden mehrere Gramm Nanopartikel pro Stunde hergestellt, somit die Prozessgrenzen des Verfahrens wesentlich erweitert und die industrielle Anschlussfähigkeit ermöglicht. Die erzeugten Nanopartikel sind dann auch noch derart rein, dass sie beispielsweise für die heterogene Katalysatoren verwendet können. Auch war bisher die Verfügbarkeit einer verarbeitbaren Menge oftmals der limitierende Faktor für tiefergehende Funktionsuntersuchungen. Beispielsweise erfordert die Untersuchung von kunststoffverarbeitenden Techniken wie Extrusion oder Spritzguss Mindestmengen im Bereich einiger Kilogramm Masterbatch. Mit Hilfe des vorgestellten Lasersystems können nun beispielsweise optisch aktive Nanopartikel hergestellt und in Kunststoffe eingebettet werden, um daraus Filter für optische Anwendungen herzustellen (Abb. 3).
 
Fazit
Neben den etablierten chemischen und physikalischen Nanopartikelsyntheseverfahren hat sich in den letzten Jahren auch der Laser als vielseitiges Werkzeug zur Erzeugung von hochreinen Nanopartikeln etabliert. Dabei erfährt die Nanopartikelsynthese mittels gepulster Laserstrahlung in Flüssigkeiten weltweit ein ungebremst zunehmendes Interesse als universelle, auf nahezu jedes beliebige Material und Lösungsmittel anwendbare, Methode, um ligandenfreie, elektrostatisch kolloidal stabilisierte Partikel verschiedenster Materialklassen zu erzeugen. 
 
Literatur
[1] Stephan Barcikowski, Thomas Baranowski, Yigit Durmus, Ulf Wiedwald, Bilal Gökce: Solid Solution Magnetic FeNi Nanostrand-Polymer Composites by Connecting-Coarsening Assembly, Journal of Materials Chemistry C 3, 10699 (2015), DOI: 10.1039/c5tc02160j
[2] Dongshi Zhang, Bilal Gökce, Christian Notthoff, Stephan Barcikowski: Layered See-Growth of AgGe Football-Like Microspheres via Precursor-Free Picosecond Laser Synthesis in Water, Scientific Reports 5, 13661 (2015), DOI: 10.1038/srep13661
[3] Bilal Gökce, Stephan Barcikowski, P. Behrens, U. Fritsching, I. Kelbassa, R. Poprawe, C. Esen, A. Ostendorf, B. Voit: Prozessadaptierte Materialien für die Photonik, Photonik: Fachzeitschrift für die optischen Technologien 47, 24 (2015)
Autoren
Bilal Gökce, Stephan Barcikowski
 
Kontakt
Universität Duisburg-Essen
Technische Chemie I
Essen
 
Weitere Beiträge zum Thema Materialforschung: http://www.git-labor.de/category/tags/Materialforschung
Mehr Informationen über Nanopartikel: http://www.git-labor.de/category/tags/nanopartikel
 

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