Transmissionselektronenmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das beschaffte Transmissionselektronenmikroskop (TEM) hat die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. C. Feldmann als Antragsteller im Hinblick auf mehrere wissenschaftliche Themenbereiche entscheidend vorangebracht: (1) Nanoskalige Hohlkugeln, (2) Nanopartikel unedler Metalle, (3) C-Dots, (4) Nanoskalige Oxide und nanoskalige Photokatalysatoren, (5) Anorganisch-organische Hybridnanopartikel. (1) Nanoskalige Hohlkugeln: Erstmals konnte die Arbeitsgruppe Feldmann die Synthese nanoskaliger Hohlkugeln mit Hilfe von Mikroemulsionen aufzeigen. Über diese Synthesestrategie sind insbesondere sehr kleine Hohlkugeln zugänglich, die Partikeldurchmesser von 10-50 nm, Wandstärken von 2-10 nm und eine innere Kavität von 5-30 nm auf weisen. Zudem können sehr unterschiedliche Materialien wie Oxide (z.B. AlO(OH), La(OH)3, ZnO, SnO2, TiO2, ZrO2, CaCO3, Fe4[Fe(CN)6]3), Sulfide (z.B. ZnS, Cu2S, Cu1.8S, CuS, Ag2S) oder Metalle (z.B. Ag, Au) als Hohlkugeln hergestellt werden. Nanoskalige Hohlkugeln sind insbesondere für die Katalyse (aufgrund ihrer großen Oberfläche und ihrer thermisch-mechanischen Stabilität) und als Nanocontainer in der Medizin von großem Interesse. Die Elektronenmikroskopie stellt hier naturgemäß die zentrale Charakterisierungsmethode dar. Aufgrund der Strahlempfindlichkeit der Hohlkugeln ist eine schnelle Untersuchung essentiell. Sowohl für die Abbildung als auch für die chemische Analyse bietet das beschaffte TEM hier die erwarteten enormen Vorteile. (2) Nanopartikel unedler Metalle: In Bezug auf Nanopartikel unedler Metalle konnte die Arbeitsgruppe Feldmann in den letzten beiden Jahren verschiedene neue Synthesestrategien vorstellen. Hierzu gehören Mikroemulsionen mit flüssigem Ammoniak als polarer Tröpfchenphase, die Natrium-getriebene Reduktion in flüssigem Ammoniak sowie die Natriumnaphthalid-getriebene Reduktion in Etherphasen. Über diese Strategien konnten reaktive Metalle wie Zn, Ti, Fe, Mo, W oder Gd mit Partikeldurchmessern von 2-5 nm synthetisiert werden. Die hohe Reaktivität der Nanopartikel erfordert wie im Falle nanoskaliger Hohlkugeln eine schnelle Abbildung und chemische Analyse. Diese Arbeiten wären ohne das neu beschaffte TEM nicht möglich gewesen. (3) C-Dots: C-Dots oder Carbon-Dots sind nanoskalige (1-5 nm), graphitartige Kohlenstoffpartikel, die in der Arbeitsgruppe Feldmann in hochsiedenden Alkoholen (Polyole) hergestellt werden. Erstmals konnten wir den Energieübertrag von C-Dots auf Seltenerdmetallionen wie Eu3+ oder Tb3+ mit entsprechender Emission zeigen. Die elektronenmikroskopische und elektronenspektroskopische Charakterisierung ist wiederum essentiell und mit dem beschafften leistungsstarken TEM in optimaler Weise gewährleistet. (4) Nanoskalige Oxide und nanoskalige Photokatalysatoren: Kürzlich konnte die Arbeitsgruppe Fotokatalysatoren mit ungewöhnlicher Morphologie vorstellen. Hierzu zählen so genannte „Spike-Cubes“, d.h. Würfel, auf deren Oberflächen sich Spitzen befinden, sowie so genannte „Peapods“, d.h. Nanopartikel, die in Form einer Erbsenschote von einer Nanoröhre umgeben sind. Diese speziellen Morphologien erfordern offensichtlich eine leistungsstarke elektronenmikroskopische und elektronenspektroskopische Analyse, um Struktur und Zusammensetzung charakterisieren zu können. (5) Anorganisch-organische Hybridnanopartikel: Anorganisch-organische Hybridnanopartikel wie ZrO(FMN) (FMN: Flavinmononukleotid) stellen eine in der Arbeitsgruppe entwickelte Substanzklasse dar, die insbesondere für die Therapie (Freisetzung von Pharmazeutika) und Detektion (multimodales Imaging) von großem Interesse ist. Mit Partikeldurchmessern von 30-60 nm sind diese Nanopartikel zwar vergleichsweise groß, durch den hohen Anteil des organischen Anions sind diese aber auch sehr strahlempfindlich. Auch hier profitiert die chemische Analyse erheblich vom leistungsstarken EDXS-System des beschafften TEM. Allgemeines: Als Fazit hat sich das beschaffte TEM zur Charakterisierung der aufgeführten Nanomaterialien als ideal erwiesen. Basierend auf hoher Auflösung (bis zu 0,10 nm) und unterschiedlichen Charakterisierungsmöglichkeiten (TEM, HRTEM, HAADF-STEM, BF-STEM, EDXX, SAED) ist eine optimale, umfassende und zeitgemäße Analyse unterschiedlicher Nanomaterialien gewährleistet. Insbesondere die herausragende Leistungsfähigkeit der gerätespezifischen EDXS erlaubt eine sehr schnelle chemische Analyse von Struktur und Zusammensetzung mit höchster Genauigkeit und unter weitgehender Vermeidung von Strahlschäden. Die herausragende Bedeutung des Gerätes liegt neben der Auflösung insbesondere in der chemischen Analyse. Hier gehört das Gerät zu den leistungsstärksten Geräten weltweit und bietet Möglichkeiten, die so generell am KIT, zuvor nicht vorhanden waren. Die Eingliederung des beschafften TEM-Gerätes in die Kompetenz- und Serviceinfrastruktur des KIT-Laboratoriums für Elektronenmikroskopie (LEM) und die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. D. Gerthsen gewährleistet schließlich eine sehr effiziente Nutzung und einen optimalen Betrieb des TEM.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ammonia-in-Oil-Microemulsions and Their Application. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 12443–12447
F. Gyger, P. Bockstaller, D. Gerthsen, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201305289) - Polyol-mediated C-Dot Formation showing Efficient Tb3+/Eu3+ Emission. Chem. Commun. 2014, 50, 7503–7506
H. Dong, A. Kuzmanoski, D. M. Gößl, R. Popescu, D. Gerthsen, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C4CC01715C) - Tungsten Nanoparticles from Liquid-Ammonia-based Synthesis. Chem. Commun. 2014, 50, 4547–4550
C. Schöttle, P. Bockstaller, D. Gerthsen, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C3CC49854A) - Isoniazid@Fe2O3 Nanocontainers and Their Antibacterial Effect on Tuberculosis Mycobacteria. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 12597–12601
P. Leidinger, J. Treptow, K. Hagens, J. Eich, N. Zehethofer, D. Schwudke, W. Öhlmann, H. Lünsdorf, O. Goldmann, U. E. Schaible, K. E. J. Dittmar, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201505493) - Multifunctional Phosphate-based Inorganic-Organic Hybrid Nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7329−7336
J. G. Heck, J. Napp, S. Simonato, J. Möllmer, M. Lange, H. R. Reichardt, R. Staudt, F. Alves, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.5b01172) - Sodium-Naphthalenidedriven Synthesis of Base Metal Nanoparticles and Specific Follow-up Reactions. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 9866–9870
C. Schöttle, P. Bockstaller, R. Popescu, D. Gerthsen, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201503269) - Liquid-Crystalline Phases with Liquid Ammonia: Synthesis of Porous Si3N4, TiN, VN and H2-Sorption of Si3N4 and Pd@Si3N4. Chem. Mater. 2016, 28, 7816–7824
F. Gyger, P. Bockstaller, D. Gerthsen, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b03219) - Synthesis of Ti0 Nanoparticles via Lithium- Naphthalenide-driven Reduction. Chem. Commun. 2016, 52, 6316–6319
C. Schöttle, D. Doronkin, R. Popescu, D. Gerthsen, J.-D. Grunwaldt, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C6CC01957A) - Tin Tungstate Nanoparticles: A Photosensitizer for Photodynamic Tumor Therapy. ACS Nano 2016, 10, 3149–3157
C. Seidl, J. Ungelenk, E. Zittel, T. Bergfeldt, J. P. Sleeman, U. Schepers, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.5b03060) - β-SnWO4 Photocatalyst with Controlled Morphological Transition of Cubes to Spikecubes. ACS Catal. 2016, 6, 2357–2367
Y.-C. Chen, Y.-G. Lin,, L.-C. Hsu, A. Tarasov, P.- T. Chen, M. Hayashi, J. Ungelenk, Y.-K. Hsu,, C. Feldmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acscatal.5b02444)
