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Synthese und Charakterisierung
von Nanopartikeln
Das wohl berühmteste Beispiel der
Arbeiten ist die Synthese von kolloidalen
Halbleiterpartikeln, in denen im Nano-
metergrößenbereich ein allmählicher
Übergang von Festkörper- zu Molekül-
eigenschaften erfolgt. Das Foto in Ab-
bildung 1, das mittlerweile weltweit als
Anschauungsobjekt für den sogenannten
Größenquantisierungeffekt dient, zeigt dies
eindrucksvoll anhand der Fluoreszenz von
Cadmiumselenid-Partikeln. Mit sinkendem
Teilchendurchmesser ändert sich die Farbe
rot (6 nm) zu blau (2.5 nm).
Die Optimierung der Syntheseverfahren
hat in den vergangen 3 Jahrzehnten dazu
geführt, dass heute Fluoreszenzquanten-
ausbeuten von über 90 % realisiert werden
können und die Fotostabilität imVergleich
zu herkömmlichen organischen Farbstoffen
um ein vielfaches höher ist. Darüber hinaus
zeichnet sich die Fluoreszenz durch eine
hohe Farbreinheit aus, was insgesamt zu
zahlreichen Anwendungen geführt hat.
Eines der eindrucksvollsten Beispiele ist
die Verwendung solcher Teilchen in der
neuesten Generation von Fernsehern und
Monitoren. Gegenwärtig werden zahlreiche
Arbeitskreis Nanochemie, Institut für Physikalische Chemie
Leiter: Prof. Dr. Horst Weller
Der Arbeitskreis umfasst ca. 40 Mitarbeiter und beschäftigt sich mit der Synthese und Cha-
rakterisierung von Nanopartikeln, Untersuchungen zur Nukleation und zumWachstum der
Teilchen, Anwendungen im Bereich Fotovoltaik, Katalyse, Sensorik und Medizin sowie mit der
Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Nanokompositen.
Syntheseverfahren für andere Materialien
entwickelt, um den verfügbaren Spektral-
bereich bis in das nahe Infrarot auszudeh-
nen und weniger toxische Materialien zum
Einsatz zu bringen.
Ein weiterer Materialbereich sind plasmo-
nische Nanopartikel aus Gold und Silber.
Durch Licht wird in diesen Teilchen eine
kollektive Schwingung der Leitungselektro-
nen angeregt, die interessante Farbeffekte
hervorbringt und gleichzeitig zu einer
starken Erhöhung der lokalen elektrischen
Felder führt. Hieraus ergeben sich interes-
sante Forschungsthemen im Bereich der
Grundlagenforschung, aber auch Anwen-
dungsmöglichkeiten als Raman-Sonden
und als Bio-Marker sowie als Lichtabsorber
in der medizinischen Fotohyperthermie.
Weitere Syntheseaktivitäten liegen im
Bereich von Platin- und Palladium-Legie-
rungspartikeln, die einerseits interessante
magnetische, andererseits auch hervorra-
gende katalytische Eigenschaften besitzen.
Einen besonderen Stellenwert nehmen
auch oxidische Nanopartikel ein. Beispiele
hierfür sind Nanokristalle aus Fe
3
O
4
als
Kontrastmittel für die Kernspintomogra-
phie sowie TiO
2
und ZrO
2
als Füllmaterial
für hierarchisch aufgebaute Polymerkom-
posite mit besonderen mechanischen
Eigenschaften oder photonische Kristalle
aus solchen Partikeln, die als Beschichtung
in thermisch hoch beanspruchten Bautei-
len Verwendung finden sollen.
Abbildung 2: Hochauflösende elektronen-
mikroskopische Aufnahme eines Gold-
Nanopartikels
Sechs Elektronenmikroskope mit aufei-
nander abgestimmten Spezifikationen
stehen der Gruppe zur Verfügung, um
schnelle Vorcharakterisierungen der Proben
vornehmen zu können oder in höchstauflö-
senden Aufnahmen detaillierte Fragen zur
atomaren Struktur, dem Phasenverhalten
und der chemischen Zusammensetzung
der Teilchen zu beantworten. Ein Beispiel
zeigt Abbildung 2, in der ein Gold-Teilchen
bei hoher Vergrößerung gezeigt ist. Man
erkennt klar die Kristallstruktur und die
Facettierung der Oberflächen.
Für technische Anwendungen ist es er-
forderlich, verlässliche Syntheseverfahren
zu etablieren, die die Produktion großer
Mengen immer gleicher Partikel erlauben.
Üblicherweise werden die Partikel durch
Kolbensynthese in kleinen Mengen herge-
stellt. Das Aufskalieren stellt sich häufig als
sehr schwierig heraus, da geringe Konzen-
trations- oder Temperaturschwankungen
während des Durchmischens der Vorläufer-
verbindungen meist einen großen Einfluss
auf die Geschwindigkeiten von Nukleation
und Wachstum haben und somit die Grö-
ßenverteilung im Produkt bestimmen. Wir
haben deshalb die Partikelsynthese, die bei
Temperaturen bis zu 300°C ablaufen, auf
Abbildung 1: Fluoreszenz von CdSe Nanopartikeln
