Ultrakurzpulslasersystem zur Kolloidsynthese
Final Report Abstract
Der Lehrstuhl Technische Chemie I stellt eine Schnittstelle zwischen den Profilschwerpunkten „Nanowissenschaften“ und „Biomedizinischen Biotechnologie“ der Universität Duisburg-Essen dar. Er wird angetrieben von dem Ziel, die hervorragenden Eigenschaften funktionaler Nanopartikel in Materialien, Demonstratoren und Produkten für die Energieforschung und Biomedizin nutzbar zu machen. Neben den etablierten chemischen und physikalischen Nanopartikelsyntheseverfahren hat sich in den letzten Jahren auch der Laser als vielseitiges Werkzeug zur Erzeugung von hochreinen Nanopartikeln in flüssigen Dispersionsmedien etabliert. Dabei wird ein Substrat im flüssigen Medium mit einem gepulsten Laserstrahl abgetragen. Die freigesetzten Nanopartikel werden von der Trägerflüssigkeit stabilisiert, vor Agglomeration geschützt und sind optimal zur Weiterverarbeitung vorbereitet. Diese rein physikalisch hergestellten Nanopartikelkolloide sind frei von Kontaminationen durch nicht umgesetzte Edukte und es kann vielfach auf potentiell toxische chemische Stabilisatoren verzichtet werden. Solche hochreinen Nanopartikelkolloide sind insbesondere für anspruchsvolle Anwendungen im Bereich der Medizin oder der Energietechnik interessant. Jedoch hat dieses junge Forschungsfeld den Nachteil von geringen Nanopartikel- Produktivitäten. Um lasergenerierte Nanopartikel jedoch auch für Anwendungen, welche größere Mengen an Nanopartikeln benötigen wie bspw. die Biomedizintechnik und Energietechnik nutzbar zu machen, wurde das Großgerät angeschafft. Eine der wichtigsten Fragen, die es zu beantworten galt, ist, ob die bisherigen Prozessgrenzen ausgeweitet bzw. überschritten werden können, um die Produktivität stark hoch zu skalieren. Wie aus bisherigen Ergebnissen an industriell standardisierten Lasern ersichtlich, wird die Produktivität durch die beim Prozess entstehende Kavitationsblase gehemmt. Bisherige Ansätze zielten darauf ab, die Kavitationsblase zeitlich zu umgehen und mit Steigerung der Pulsenergie einen höheren Abtrag zu erzielen. Dies ist bedingt durch Sättigungseffekte in der Absorption der Energie nur begrenzt möglich. Die auf dem Hochleistungsultrakurzpulslasersystem-Großgerät basierende Forschungsidee verfolgt den Ansatz die Kavitationsblase lateral zu umgehen. Verbunden mit einem Scannersystem, welches den Laserstrahl mit Überschallgeschwindigkeit (bis zu 500 m/s) ablenkt, ist es erstmals möglich gewesen die Kavitationsblase zu umgehen und die Produktivität um das 265-Fache zu steigern. Hierbei wurde zudem erstmals gezeigt, dass die Abtragsschwelle, ab der Material aus dem Festkörper austreten kann, von der Repetitionsrate (im MHz-Regime) abhängt und somit Hitzeakkumulation im Material stattfindet. Diese Ergebnisse wurden Mitte 2016 in einem Plenarvortrag vorgestellt und haben große Beachtung erfahren. In einem weiteren Schritt wurde in Kooperation mit Prof. B. Neuenschwander (Bern) das Laserabtragsverhalten in Luft mit dem Abtrag in Flüssigkeiten verglichen. Hilfe dieser Ergebnisse konnten Parallelen zwischen beiden Verfahren gezogen werden und geklärt werden, wann theoretische Modelle auch für den Abtrag in Flüssigkeiten angewendet werden können. Mit Produktivitäten von bis zu 4 Gramm Nanopartikel pro Stunde (entspricht ca. 20 Liter Kolloid pro Stunde) werden nun am Großgerät hergestellte Gold- und Platin-Nanopartikel für katalytische Untersuchungen hergestellt und in diversen Arbeitskreisen (z.B. Prof. M. Muhler und Prof. W. Schuhmann, Bochum) untersucht.
Publications
- Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, highrepetition-rate ultrafast laser ablation in liquids. Optics Letters 41 (2016), Nr. 7, S. 1486-1489
Streubel, R. ; Barcikowski, S. ; Gökce, B.
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.41.001486) - Pilot-scale synthesis of metal nanoparticles by high-speed pulsed laser ablation in liquids. Nanotechnology 27 (2016), Nr. 20, S. 1-9
Streubel, R. ; Bendt, G. ; Gökce, B.
(See online at https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/20/205602) - How Size Determines the Value of Gold - Economic Aspects of Wet Chemical and Laser-Based Metal Colloid Synthesis. ChemPhysChem
Jendrzej, S. ; Gökce, B. ; Epple, M. ; Barcikowski, S.
(See online at https://doi.org/10.1002/cphc.201601139)
