Metallcluster in Natron-Kalk-Silikatglas: Bildungsmechanismen, Nukleation und Wachtum (nach erfolgtem Ionenaustausch)

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Rademann
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 164435563

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Es wurde ein quantitatives Verfahren entwickelt, welches zu sehr hohen Metallkonzentrationen im Natron-Kalk-Silikatglas führt. Durch ein modifiziertes Herstellungsverfahren ist es gelungen, sehr hohe Konzentrationen an Metall räumlich lokalisiert in grenznahen Schichten im Glas zu erzeugen. Die vormals gekoppelten Prozesse: Diffusion, Reduktion, Nukleation und Wachstum konnten erfolgreich separiert werden. Kupfer und Silber wurden umfassend untersucht und komparativ ausgewertet. Die einzelnen Kristallisationsstufen konnten mit UV-Vis Untersuchungen identifiziert werden. Nach der Reduktion der Metallionen tritt eine intensive Lumineszenz auf. Die Zuordnung der Luminenzenz zu einem L-Zentrum wurde verifiziert (in Analogie zu früheren Versuchen mit Gold im Glas) und um Silber und Kupfer Cluster als Donoren ergänzt. Messungen der Lebensdauern zur Unterscheidung der Metalldonoren, bestätigen die Zuordnung der Lumineszenz zum L-Zentrum. Die Lumineszenzzentren verschwinden durch längere thermische Behandlung. Nanoskopische Partikel führen dann im Verlauf des Wachstums zum charakteristischen Plasmonenoberflächen-Resonanzsignal im Absorptionsspektrum. Die Größe der Nanopartikel kann durch Kontrolle der determinierenden Parameter: Konzentration, Temperatur und Zeit gezielt eingestellt werden. Es können Cluster von 0.5 nm, Nanopartikel von 1-5 nm und Agglomerate von Partikeln bis zu 50 nm erzeugt werden. Die entstandenen Partikel sind bevorzugt in einer grenznahen Schicht dicht unter der Oberfläche des Glases konzentriert. Die Glasschutzschicht garantiert die hohe Stabilität und Kontaminationsfreiheit der erzeugten Metallcluster. Durch vielfältige Versuche mit dem Standard Probemolekül Adenin konnte ein SERS-Verstärkungsfaktor von mindestens 107 ermittelt werden. Im Unterschied zu dem Silbersystem wurde für das Kupferglas eine starke Abhängigkeit von den äußeren atmosphärischen Bedingungen gefunden. Abschließend ist zu bemerken, dass bei der Herstellung der plasmonischen Strukturen im Glas nur sehr geringe Kosten entstehen, so dass die Methode auch für die Massenproduktion zweckmäßig wäre. In Zusammenarbeit mit der BAM und der Humboldt-Innovation Verwertungsgesellschaft wurde die Methode für die Patentanmeldung geprüft. Das Verwertungsverfahren kann prinzipiell weiter verfolgt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• "Controlling the Formation of Noble Metal Clusters in Glassy Matrices", International Congress on Glass - ICG 2010 2010, Bahia, Brasilien
  A. Simo, K. Rademann
  
• "Crystallization and Morphological Diversity of Caffeine on Surfaces: Needles and Hexagons", Tag der Chemie 2010, Berlin
  A. Sarfraz, A. Simo, R. Fenger, W. Christen, K. Rademann, E. Rößler, F. Emmerling, U. Panne
  
• "Optical Properties of Metal-Glass Hybrid Systems", Materials Science and Engineering - MSE 2010 2010, Darmstadt
  A. Simo, K. Rademann
  
• "Precious Metal Functionalized Soda-Lime Silicate Glasses", International Conference on the Structure of Non- Crystalline Materials NCM11 2010, Paris
  A. Simo, K. Rademann
  
• "Screening the Metal Cluster Formation in Soda-Lime Silicate Glass", 3rd EuCheMS 2010, Nürnberg
  A. Simo, R. Fenger, K. Rademann
  
• "Small Metal Clusters Embedded in Glassy Matrices", ICG Summer School "Glass - the fourth state of matter?" 2010, Montpellier
  A. Simo, K. Rademann
  
• "Small-Angle X-Ray Scattering as Universal Tool for Nucleation and Growth Studies", SNI 2010, Berlin
  J. Polte, R. Erler, X. Tuaev, A. Simo, A. Fischer, K. Rademann, R. Krähnert, A. F. Thünemann, F. Emmerling
  
• Small-Angle X-Ray Scattering as Universal Tool for Nucleation and Growth Studies: Copper Clusters in Glassy Matrices", SNI 2010, Berlin
  A. Simo, J. Polte, F. Emmerling, K. Rademann
  
• " Metal Functionalized Glasses: Applications ", Berlin Chemistry Symposium (BCS) 2011, Berlin
  A. Simo, K. Rademann
  
• " SERS Applications of Metal Nanoparticles embedded in Glass ", 5. Innovationskongress Chemie und Biotechnologie, Kleine Partikel – Große Chancen 2011, Potsdam
  A. Simo, K. Rademann
  
• "Formation of Silver Nanoclusters in the Complex Metal Functionalized Glass System", ECIS European Colloid and Interface Society 2011, Berlin
  A. Simo, J. Polte, K. Rademann
  
• "Gold and Silver in Glasses", ICGF 2011 – International Conference on Speciality Glass & Optical Fiber: Materials, Technology & Devices 2011, Kalkutta, Indien
  K. Rademann
  
• "Silver Nanoparticles embedded in Glass ", GDCh Wissenschaftsfotum Chemie 2011, Bremen
  A. Simo, K. Rademann
  
• Long-term stable silver sub-surface ion-exchanged glasses for SERS applications, ChemPhysChem, 2011, 12, 9, 1683-1688
  A. Simo, V. Joseph, R. Fenger, J. Kneipp, K. Rademann
  
• Morphological Diversity of Caffeine on Surfaces: Needles and Hexagons, Cryst. Growth Des., 2011, 10.1021/cg101358q
  A. Sarfraz, A. Simo, R. Fenger, W. Christen, K. Rademann, U. Panne, F. Emmerling
  
• “Metal Clusters Under Cover”, DGG FA I, 2011, Erlangen
  A. Simo, K. Rademann