Agglomeration und Anordnung von Nanopartikeln in eingeschränkter Geometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kraus
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 238303265

Wir schlagen vor, mittels Experimenten und Simulationen die Agglomeration kolloidaler Partikel unter räumlicher Beschränkung zu untersuchen, um neue Verbundwerkstoffe herzustellen.Die zugrundeliegende experimentelle Methode wurde von der Saarbrücker Gruppe entwickelt: Partikel mit Durchmessern von etwa 10 nm werden in die disperse Phase einer Emulsion eingebracht, die dann langsam verdunstet. Geeignete Tenside verhindern die Bildung einer Pickering-Emulsion und zwingen die Partikel dazu, in den Tröpfchen zu verbleiben. Unter diesen Bedingungen erinnert das Verhalten der Partikel an Metallatome. Sie bilden "Lennard-Jones" Cluster, Suprapartikel minimaler Energie mit Strukturen, die theoretisch vorhergesagt werden können. Dieser Prozess ist ein technologisch vielversprechender Weg zu wohldefinierten Mikrostrukturen und eignet sich als Plattform, um Agglomeration zu untersuchen und zu steuern.Im hier beantragten Projekt wollen wir theoretische Einsicht in die geordnete Agglomeration bei räumlicher Beschränkung gewinnen und den Prozess in Richtung technologisch relevanter Partikelmischungen erweitern. Dazu werden Mischungen von Nanopartikeln in Emulsionen angeordnet. Je nach Wechselwirkung zwischen den Partikeln und nach Prozesskinetik trennen sich die Partikel dann wie unmischbare Phasen in "Janus-Suprapartikel", ordnen sich in gemischte Kristalle an, die "fleckige" Suprapartikel bilden, oder verbinden sich in ungeordnete, "gemischte" Suprapartikel. Wir schlagen vor, den Anordnungsprozess durch Simulationen auf der Ebene einzelner Partikel zu analysieren. Um vorherzusagen, welche Partikel, Liganden und Prozessbedingungen welche Morphologien hervorbringen, werden wir Simulationen durchführen, die Wechselwirkungen und Begrenzungsgeometrien systematisch variieren.Die Simulationen werden an der Universität Luxemburg durchgeführt. Um optimale binäre Lennard-Jones Cluster bei einschränkenden Randbedingungen zu finden, wird ein "basin hopping" Ansatz verwendet. Sobald die Konfigurationen minimaler Energie gefunden sind, werden wir auch ihre thermische Stabilität mit einer kürzlich von uns entwickelte Methode zur Berechnung freier Energien ermitteln. Am INM werden wir Partikelmischungen und Prozessbedingungen gemäß den Simulationsergebnissen auswählen und experimentell untersuchen, ob die vorhergesagten Strukturen sich bilden. Metall- und Oxidnanopartikel werden gemischt, emulsifiziert und in Suprapartikel angeordnet. Die Anordnung wird in situ mittels zeitaufgelöster optischer Transmissionsspektroskopie und Lichtstreuung beobachtet. Elektronenmikroskopie wird die Struktur der Partikel im direkten Raum anzeigen, Lichtstreuung und Röntgenstreuung werden zeigen, ob die Strukturen homogen und stabil sind. Wenn es uns gelingt, Janus-Suprapartikel aus unterschiedlich polaren Partikeln herzustellen, werden wir ihr Verhalten als oberflächenaktive Substanzen untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Luxemburg
• Partnerorganisation: Fonds National de la Recherche
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Tanja Schilling