Sub-Nanosekunden-Pump-Probe-Analyse von Metalltargets während der Nanopartikelerzeugung durch Laserablation in Flüssigkeit und Luft - Zeitliche und räumliche Steuerung von Laserpulsen zur Produktivitätssteigerung und Kontrolle der Nanopartikelgröße

• Antragsteller: Professor Dr. Bilal Gökce; Professor Dr. Heinz Paul Huber
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428315411

Unter den verschiedenen NP-Synthesetechniken ist die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten (PLAL) aufgrund ihrer Vielseitigkeit hinsichtlich der Zielmaterialien und der resultierenden NP-Zusammensetzungen besonders bemerkenswert. In der ersten Phase unseres Projekts wurden Pump-Probe-Mikroskopie (PPM)-Experimente durchgeführt, um die Dynamik der PLAL vom ersten Laserpuls bis zum Kollaps der Kavitationsblase (KB) auf einer Zeitskala von ps bis µs zu untersuchen. Diese Einzelpuls-Ergebnisse wurden genutzt, um die wichtigsten Einschränkungen von PLAL zu adressieren. So wurde beispielsweise sub-ns-Doppelpuls-PLAL verwendet, um die Bimodalität von NP zu verringern. Darüber hinaus untersuchten wir produktivitätseinschränkende Faktoren der PLAL, wie Blasen- und Plasmaabschirmung, sowie die Bedeutung der Scanstrategie für die Skalierung der PLAL. Aufbauend auf den grundlegenden PLAL-Prozessen, die im vorangegangenen Projekt ermittelt wurden, wollen wir untersuchen, wie sich die grundlegenden Mechanismen der zeitlichen und räumlichen Pulsformung bei der PLAL auf die NP-Größenverteilung und die Produktivität auswirken, um eine kontinuierliche NP-Produktion mit hoher Ausbeute zu erreichen. Während der ersten Projektphase entdeckten wir, dass ein zweiter, um 600 ps verzögerter Puls in einem PLAL-Doppelpulsaufbau die Bimodalität der NP reduzieren kann. Wir planen, diese Technik weiter zu erforschen, ebenso wie einen zweiten zeitlichen Rahmen auf der ns-Skala, wo ein zweiter Puls die Entstehung von Spallationsschichten, das NP-Wachstum und die Koaleszenz beeinflussen kann. Neben der Verzögerung zwischen den Pulsen hat auch die Spitzenfluenz (J) einen direkten Einfluss auf die Ablationseffizienz und die Größenverteilung der NP. Wir schlagen jedoch vor, den räumlichen Gauß-Strahl in ein elliptisches Profil umzuwandeln, um die Wechselwirkungsfläche zu vergrößern und das Ziel mit dem effizientesten J zu bearbeiten und so die NP-Produktion zu maximieren. Darüber hinaus können durch den Einsatz diffraktiver optischer Elemente (DOEs) mehrere Strahlen erzeugt werden, was die Wiederholungsraten verringert und eine parallele Bearbeitung mit größerem Impulsabstand ermöglicht. DOEs stellen eine vielversprechende Alternative zu technologisch begrenzten, schnelleren Scansystemen dar, um die KB-Abschirmung bei PLAL zu vermeiden und die NP-Produktion zu maximieren. Wir werden die vorgeschlagenen PLAL-Setups für Au und FeNi bewerten, zwei Materialien mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, die die Untersuchung grundlegender Mechanismen für die zeitliche und räumliche Pulsformung in PLAL ermöglichen, um die NP-Größenverteilung zu optimieren und die Produktion zu steigern. Unser endgültiges Ziel ist die Erforschung und Entwicklung eines kosteneffektiven räumlich und zeitlich geformten PLAL-Aufbaus, der eine Kontrolle der NP-Größe und kontinuierlich hohe Produktionsraten ermöglicht, die den für industrielle Anwendungen erforderlichen g/h-Bereich erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Carlos Doñate-Buendía