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Fließreaktoren überführt, mithilfe derer die-
se Probleme durch immer konstante Misch-
und Wachstumsbedingungen umgangen
werden und mühelos die Kilogramm-Syn-
these der Nanopartikel möglich ist. Die An-
wendung dieser Produktionsverfahren zum
Verkauf der Teilchen erfolgt im Centrum für
Angewandte Nanotechnologie (CAN).
Daneben laufen Forschungsprojekte im
Rahmen des Bundesexzellenzclusters „The
Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“, um
die Entstehung und das Wachstum sowie
die gezielte Kontrolle von Form und kristalli-
ner Phase der Teilchen besser zu verstehen.
Nanopartikel für Solarzellen
Halbleiternanopartikel wurden von unserer
Gruppe bereits in den achtziger Jahren
weltweit erstmalig als Lichtabsorber in
Solarzellen eingesetzt. Es gelang, die elekt-
ronischen und optischen Eigenschaften der
Partikel unter Ausnutzung des Größen-
quantisierungseffektes so anzupassen,
dass das Sonnenspektrum optimal genutzt
werden konnte. Damals verwendete man
flüssige Elektrolyte, die für den technolo-
gischen Einsatz allerdings wenig geeignet
waren. Seit etwa 10 Jahren gibt es intensive
Bemühungen, die einzigartigen Eigenschaf-
ten der Partikel in reinen Festkörperzellen
zu nutzen. Dies wurde besonders dadurch
intensiviert, dass theoretische Berechnun-
gen für solche Zellen erheblich höhere er-
reichbare Wirkungsgrade prognostizieren,
als sie in herkömmlichen Solarzellen aus
thermodynamischen Gründen realisierbar
sind. Zwar ist man heute diesem Ziel in der
Praxis noch fern, aber es hat kaum eine
Neuentwicklung in der fotovoltaischen
Forschung gegeben, bei der in einer so
kurzen Zeit die international berichteten
Wirkungsgrade so schnell angestiegen sind
(bis auf etwa 8 %).
Eines der Hauptprobleme liegt im La-
dungstransport zwischen den einzel-
nen Nanopartikeln. Hier versuchen wir,
maßgeschneiderte Moleküle einzusetzen,
um dies zu verbessern. Die Herstellung der
Zellen erfolgt in einer Anlage, bei der von
der Chemie bis zur fertigen Zelle und deren
Charakterisierung alle Prozessschritte unter
Inertgas und staubfreien Bedingungen aus-
geführt werden können (Abbildung 3).
Nanopartikel in der Elektrokatalyse
(Dr. Hauke Heller)
Brennstoffzellen sind ein wichtiges Glied
im Gesamtkonzept regenerativer Energi-
en. Unsere Gruppe verfolgt hierbei einen
Ansatz, bei der chemisch synthetisierte
Platin- und Palladiumlegierungen auf
Kohlenstoffnanoröhrchen aufgebracht und
zur Methanol- oder Wasserstoffoxidation
sowie zur Sauerstoffreduktion eingesetzt
werden. Die Grundidee dieses Konzeptes
beruht darauf, dass Kohlenstoffnanoröhr-
chen die besten elektrischen Leiter und
dazu noch sehr klein sind, ein großes Ober-
flächen-zu-Volumen-Verhältnis aufweisen
und somit sowohl eine gute Erreichbarkeit
der Katalysatorteilchen für den chemischen
Brennstoff als auch einen weitgehend ver-
lustfreien Stromtransport zu den äußeren
Elektroden der Brennstoffzelle ermögli-
chen. Die kontrollierte kolloidchemische
Synthese der Partikel wiederum erlaubt die
Herstellung sehr kleiner und einheitlicher
Teilchen mit weitgehender Kontrolle der
genauen chemischen Zusammensetzung
und sogar kontrollierter Facettierung der
Oberflächen. Aus der Katalyseforschung an
Einkristalloberflächen ist nämlich bekannt,
dass ganz bestimmte Kristallflächen
besonders hohe katalytische Aktivitäten
aufweisen. Insgesamt erhoffen wir uns
durch diesen Ansatz leichtere, effektivere
und billigere Brennstoffzellen.
Nanopartikel in der Sensorik
(Dr. Tobias Vossmeyer)
Dünne Filme ligandstabilsierter Metall-Na-
nopartikel zeigen eine Reihe außergewöhn-
licher Eigenschaften, die sich hervorragend
für die Entwicklung neuartiger Sensoren
eignen. Lässt man beispielsweise elektri-
schen Strom durch solche Filme fließen,
so bewegen sich die Ladungsträger, indem
sie von einem Nanopartikel zum nächsten
„tunneln“. Dieser Tunnelprozess ist ein
quantenmechanischer Effekt, dessen Wahr-
scheinlichkeit exponentiell mit zunehmen-
dem Abstand der Nanopartikel abnimmt.
Daher bewirkt schon eine winzige Zunah-
me der Partikelabstände eine deutlich
messbare Abnahme der elektrischen
Leitfähigkeit. Durch Nutzung dieses Effek-
tes konnten wir auf der Basis organisch
vernetzter Gold-Nanopartikel neuartige
Sensoren entwickeln, die 10- bis 100-mal
empfindlicher auf Dehnung reagieren als
herkömmliche Dehnungsmessstreifen.
Solche Sensoren werden unter anderem
zur Überwachung der mechanischen
Beanspruchung von Maschinenbauteilen
oder tragenden Konstruktionselementen in
Gebäuden und Flugzeugen benötigt.
Der beschriebene Tunnelmechanismus
ermöglicht es außerdem, neuartige chemi-
sche Sensoren auf der Basis von Nanopar-
tikelfilmen herzustellen. Es konnte gezeigt
werden, dass solche Sensoren die Detek-
tion bestimmter Analytverbindungen mit
Nachweisgrenzen im unteren ppb-Bereich
ermöglichen.
Aktuell beschäftigen wir uns damit, die
Empfindlichkeit dieser Sensoren noch
weiter zu steigern und gleichzeitig das
Spektrum potentieller Anwendungen zu
erweitern. So gelang es uns vor kurzem,
dünne freistehende Membranen aus Gold-
Nanopartikeln zu präparieren, die nun für
die Entwicklung hochempfindlicher Druck-
sensoren von Interesse sind.
Nanopartikel in hoch beanspruchten
Werkstoffen (Dr. Tobias Vossmeyer)
Als Mitglied des Sonderforschungsbereichs
„Maßgeschneiderte Multiskalige Material-
Abbildung 3: Anlage zur Herstellung von Solarzellen unter Schutzgasatmosphäre
