Stabilisierungsmechanismen unpolarer Metallkolloide mit dünnen organischen Hüllen

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kraus
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443142444

Unpolare Nanopartikel sind eine wichtige Klasse von Kolloiden. Synthesen, die in den letzten beiden Jahrzehnten entwickelt wurden, ergeben Partikel aus Gold, Silber, Kupfer, und anderen Metallen und Halbleitern. Ihre Kerne sind mit organischen Liganden bedeckt, die sie in Alkanen, Aromaten und anderen unpolaren Lösemitteln dispergierbar machen. Die Partikel sind ungeladen und deshalb nicht durch Coulomb-Abstoßung stabilisiert. Neue Ergebnisse des Antragstellers und anderer Forschungsgruppen zeigen aber, dass bestimmte Kombinationen aus Metallkern, Ligand und Lösemittel zu unerwartet großen kolloidalen Stabilitäten führen. Diese Ergebnisse zeigen auch, dass die molekulare Struktur der Hüllen dabei entscheidend ist. Das ist ein deutlicher Unterschied zu den bekannten, wässrigen Kolloiden, die von der DLVO-Theorie beschrieben werden.Wir schlagen hier vor, dass unpolare Metallkolloide mit dünnen organischen Hüllen durch drei Mechanismen stabilisiert werden, die bisher noch nicht systematisch untersucht wurden: entropische Beiträge von ungeordneten Ligandenhüllen; die Solvatisierung der organischen Hüllen durch Lösemittel, die auf molekularer Ebene stark mit ihnen wechselwirken; und die Interkalation gelöster Moleküle in der Ligandenhülle, die synergistische Stabilität verursachen.Dieses Projekt untersucht die vorgeschlagenen Mechanismen an Goldkolloiden mit Kerndurchmessern von 1-10 nm. Systematische Reihen werden nasschemisch synthetisiert und mit dünnen, stark gebundenen linearen, verzweigten oder geknickten (ungesättigten) Kohlenwasserstoffen belegt. Die resultierenden Kolloide werden sorgfältig aufgereinigt und in unterschiedliche Lösemittel und Lösemittelgemische überführt. Die Struktur der Partikel - besonders die Dichte der Hülle und ihre Konfiguration - wird quantitativ untersucht.Die kolloidale Stabilität der Dispersionen wird als Funktion der Konzentration mit einer neuen Methode quantifiziert, bei der ein Tropfen des Kolloides langsam verdunstet, während Kleinwinkelröntgenstreuung sowohl die Partikelkonzentration als auch den Agglomerationszustand erfasst. Die thermische Stabilität wird durch temperaturabhängige Röntgen- und dynamische Lichtstreuexperimente erfasst. Die molekulare Struktur der Hülle wird durch eine Kombination von Thermogravimetrie, Ramanspektrometrie, NMR, optischer Streuung und Röntgenstreuung analysiert.Alle experimentellen Ergebnisse werden mit detaillierten Molekulardynamik-Simulationen verglichen, die in der Gruppe von Dr. Asaph Widmer-Cooper in Sydney, Australien verfügbar sind. Sie wurden in früherer Zusammenarbeit der Gruppen verfeinert und nun eingesetzt, um die vorgeschlagenen Mechanismen der Nanopartikelstabilisierung zu testen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Kooperationspartner: Professor Asaph Widmer-Cooper, Ph.D.