Deposition and Characterization of Size-Selected Cluster Materials: Towards the Development of New Materials for Hydrogen Storage
Final Report Abstract
Die Nanowissenschaften werden von vielen Bürgern, Wissenschaftlern und Politikern als Ideenquelle vielfältiger Zukunftstechnologien angesehen. Es besteht die Hoffnung, dringende Probleme - angefangen bei der Heilung von Krankheiten bis hin zur Energie- und Klimaproblematik - mit neuartigen Nanotechnologien zu lösen oder zumindest zu lindern. Das vorliegende Projekt sollte einen Baustein dazu liefern: die Synthese einer neuen Klasse von Materialien, die aus maßgeschneiderten Nanopartikel bestehen. Einfach gesprochen geht es um die Produktion von Nanosand, einem Material, das so feinkörnig ist, dass es sich fast wie eine Flüssigkeit verhält, aber aus festen Partikeln besteht. In den meisten Fällen werden die Teilchen allerdings zusammenbacken und es entsteht so etwas wie Nanosandstein. Aber auch dann ist ein solches Nanomaterial hochinteressant, denn es ist porös. Wie ein Schwamm würde es Gase, Flüssigkeiten und auch Giftstoffe absorbieren. Zum Beispiel eignet es sich vielleicht als Gasspeicher für Wasserstoff, einen Energieträger der Zukunft. Das Neue an solchen Materialen ist die Größe der Körner. Während seit vielen Jahrzehnten an granularen Materialien geforscht wird, deren Körner vielleicht einen Mikrometer oder 100 Nanometer groß sind, bestehen die neuen Nanomaterialien aus Teilchen, die nur einen oder wenige Nanometer groß sind. Solche Teilchen haben neue Eigenschaften. Der Halbleiter Silizium wird überraschend metallisch und Nanopartikel aus Metallen verhalten sich wie Halbleiter. Mit der Wahl der Größe können die Materialeigenschaften also maßgeschneidert werden. Aber bis zur routinemäßigen Produktion dieser Nanomaterialien ist es noch ein weiter Weg. Zunächst muss eine Methode entwickelt werden, ausreichende Mengen von Nanopartikeln mit genau einstellbarer Größe zu produzieren. Im nächsten Schritt müssen die Teilchen unter hochreinen Bedingungen als Schicht abgeschieden werden. Jede Verunreinigung würde sich störend auswirken, denn Nanopartikel sind hochreaktiv. Dann muss das Material charakterisiert werden: Ist es stabil oder verschmelzen die Nanopartikel zu einem amorphen Block? Schließlich müssen die physikalischen und chemischen Eigenschaften bestimmt werden. Im Projekt wurde in einer deutsch-amerikanischen Zusammenarbeit eine neue Apparatur zur Synthese von Nanomaterialien an der Johns-Hopkins Universität in Baltimore aufgebaut. In den drei Jahren der Laufzeit des Projektes ist es gelungen, ein erstes neues Material aus Molybdän-Nanopartikel zu synthetisieren. In den nächsten Jahren sollen nun viele verschiedenen Materialen produziert und charakterisiert werden. Die neu entwickelte Methode eröffnet den Zugang zu einer neuen Klasse von Materialien mit sehr interessanten Eigenschaften.
Publications
- "The Surface Morphologies of Size-Selected Mo100±2.5 and (MoO3)67±1.5 Clusters Soft-Landed onto HOPG", J. Phys. Chem. C 115, 12299 (2011)
K. A. Wepasnick, X. Li, T. Mangler, S. Noessner, C. Wolke, M. Grossmann, G. Gantefoer, D. H. Fairbrother, and K. H. Bowen
- "(PbS)32: A baby crystal", J. Chem. Phys. 136, 024317 (2012)
B. Kiran, A.K. Kandalam, R. Rallabandi, P. Koirala, X. Li, X. Tang, Y. Wang, H. Fairbrother, G. Gantefoer, and K.H. Bowen
- "Ion induced modification of sizeselected MoO3 and WO3 clusters deposited on HOPG", J. Vac. Sci. Technol. B 30, 031806 (2012)
Xiang Li, Kevin A. Wepasnick, Xin Tang, Yi Wang, Kit H. Bowen, D. Howard Fairbrother, and Gerd Gantefoer
(See online at https://doi.org/10.1116/1.4711134)
