Onderzoekers synthetiseren nanodeeltjes op maat voor speciale toepassingen

Of het nu gaat om innovatieve hightech materialen, krachtigere computerchips, farmaceutica of op het gebied van hernieuwbare energie, nanodeeltjes vormen de basis voor een hele reeks nieuwe technologische ontwikkelingen. Door de wetten van de kwantummechanica kunnen dergelijke deeltjes die slechts een paar miljoenste millimeter groot zijn, zich op macroscopische schaal volledig anders gedragen in termen van geleidbaarheid, optica of robuustheid dan hetzelfde materiaal. Bovendien hebben nanodeeltjes of nanoclusters een zeer groot katalytisch effectief oppervlak in vergelijking met hun volume. Voor veel toepassingen zorgt dit voor materiaalbesparing 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 superfluïde heliumdruppels met een interne temperatuur van 0,4 Kelvin (dwz minus 273 graden Celsius) door een vacuümkamer vliegen en selectief individuele atomen of moleculen in deze druppels introduceren. “Daar smelten ze samen tot een nieuw aggregaat en kunnen ze op verschillende substraten worden afgezet”, legt experimenteel natuurkundige Wolfgang Ernst van de TU Graz uit. Hij werkt nu al vijfentwintig jaar aan deze zogenaamde heliumdruppelsynthese, heeft deze in die tijd achtereenvolgens verder ontwikkeld en heeft continu onderzoek op het hoogste internationale niveau geproduceerd, meestal uitgevoerd in “Cluster Lab 3”, dat is speciaal voor dit doel opgezet bij het IEP.

Versterking van katalytische eigenschappen

In Nano Research, Ernst en zijn team rapporteren nu over de gerichte vorming van zogenaamde core-shell-clusters met behulp van heliumdruppelsynthese. De clusters hebben een kern van 3 nanometer zilver en een schaal van 1,5 nanometer dik zinkoxide. Zinkoxide is een halfgeleider die bijvoorbeeld wordt gebruikt 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 een plasmonische resonantie geeft, dat wil zeggen dat het licht absorbeert en dus een hoge lichtveldversterking veroorzaakt. Dit brengt elektronen in een aangeslagen toestand in het omringende zinkoxide, waardoor elektronen-gatparen worden gevormd – kleine delen van 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. Bovendien zou het denkbaar zijn om zo’n materiaal te gebruiken in watersplitsing voor waterstofproductie”, noemt Ernst een toepassingsgebied.

Nanodeeltjes voor laser- en magnetische sensoren

Naast de combinatie zilver-zinkoxide produceerden de onderzoekers andere interessante kern-schil-clusters 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 bijvoorbeeld geschikt voor sensortechnologieën. Voor deze materiaalcombinaties werden temperatuurafhankelijke stabiliteitsmetingen en theoretische berekeningen 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 in nieuwe katalysatoren worden omgezet.