Development of ultrashort-pulse-laser based methods for the generation and dispersion of nanoparticles in organic solvents and control of the size distribution and stability.

• Applicant: Professor Dr. Boris Chichkov
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2007 to 2012
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 53387862

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Ultrakurzpuls(UKP)-Laserstrahlabtragens in organischen Lösungsmitteln zur Erzeugung und Dispersion von Nanopartikeln. Durch den Abtrag fester Substrate in flüssiger Umgebung mit Piko- und Femtosekundenlasestrahlquellen werden kolloidale Nanopartikel gebildet. Es soll der Einfluss der Laserparameter (Fluenz, Pulsdauer), des Targets (Material), und des Mediums (Viskosität, Polarität, Polarisierbarkeit) auf die Größenverteilung, Morphologie und Stabilität der Nanopartikel untersucht werden. Für die Grundlagenuntersuchungen zum Ablationsprozess in der Flüssigkeit, der Partikelentstehung und der Kinetik der Partikelfunktionalisierung werden zwei Durchflusszellen mit einem angeschlossenen Rohrreaktor konstruiert und aufgebaut. Mittels der mathematischen Modellierung sollen die grundlegenden Mechanismen (wie spinodaler Zerfall, Kinetik der Clusterbildung) der Nanopartikelgenerierung beim Laserabtragen in Flüssigkeit beschrieben werden. Auf Basis der experimentellen und theoretischen Untersuchungen, werden die Determinanten (Laserparameter: Laserfluenz, Pulsdauer; Materialeigenschaften: Zusammensetzung, Dichte, Wärmekapazität, Elektron-Phonon-Kopplung) der physikalischen Prozesse, die für die Generierung der Nanopartikel verantwortlich sind, in die Modellierung einbezogen. Das mathematische Modell soll die zugrunde liegenden Prozesse (Laserabsorption, Wärmetransport, Stefan-Problem, Clusterbildung und- Wachstum, Sublimations- und Verdampfungsdynamik) qualitativ und quantitativ beschreiben und nach experimentellen Abgleich eine Voraussage der Nanopartikelgrößenverteilung ermöglichen. Die Größenkontrolle und der Dispersionsgrad der Nanopartikeln sind zentrale Arbeitspunkte bei der Generierung der Kolloide zur Herstellung von Polymer-Nanokompositen. Untersucht werden darüber hinaus Methoden zur Stabilisierung durch Vorlage eines Stabilisierungsreagenz (z.B. Thiole, Karbonsäuren) im Lösungsmittel. Die in organischen Lösungsmitteln erzeugten Nanopartikel werden mit Monomeren gemischt und im Folgeschritt polymerisiert. Alternativ werden die Nanopartikeln direkt in Monomeren (wie Acrylaten, Styrol-Derivaten, Ethylenglykol) generiert. Die Ergebnisse bilden die Grundlage, um neue Polymer-Nanokomposite durch UKP-Laserabtragen in Solvens und folglich der in-situ Dispersion und Stabilisierung von Nanopartikeln herzustellen. Modellhaft werden Multimaterialdispersionen in einem Prozessschritt erstellt, welche den Zugang zu neuen multifunktionalen Nanomaterialien schaffen.

• DFG Programme: Research Grants
• International Connection: Russia
• Participating Persons: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Professor Vladimir I. Mazhukin; Professor Dr. Georgy A. Shafeev