Plasmonische Nanokristalle und Multikomponentennanokristalle zur Aktivierung chemischer Reaktionen durch ultrakurze Temperaturpulse

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Dirk Dorfs
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339871323

Im Rahmen dieses Projektes soll untersucht werden, wie sich ultraschnell aufgeheizte plasmonische Nanopartikel in kolloidaler Lösung auf ihre Umgebung und insbesondere auf in ihrer Umgebung ablaufende chemische Reaktionen auswirken. Plasmonische Nanopartikel können durch ultrakurze (Nanosekunden oder auch Pikosekunden) Laserpulse extrem schnell und extrem stark erwärmt werden. Plasmonische Nanopartikel besitzen hierbei einige einmalige Eigenschaften: Ihre Extinktionskoeffizienten sind extrem hoch und auch bei intensivster Laserbestrahlung tritt im Vergleich zu anderen Materialien kaum ein Ausbleicheffekt während des Laserpulses statt. Zudem lässt sich die spektrale Lage der Plasmonenresonanz durch Materialwahl sowie Größe und Form der Partikel praktisch beliebig einstellen. Als Konsequenz können solche plasmonischen Nanopartikel sogar durch einzelne Pikosekundenlaserpulse um über 1000°C erwärmt werden; zunächst ohne dass ihre Umgebung miterwärmt wird. In diesem Projekt sollen die Auswirkungen solcher extrem kurzer und extrem stark lokalisierter Temperaturspitzen auf den Ablauf chemischer Reaktionen von Reaktanten, die sich ebenfalls in den kolloidalen Lösungen solcher Nanopartikel befinden, untersucht werden.Hierfür werden zunächst geeignete plasmonische Nanopartikel hergestellt, wobei neben klassischen Edelmetallnanopartikeln auch entartet dotierte Halbleiterpartikel mit Plasmonenresonanzen im nahen infraroten Spektralbereich hergestellt werden. Ebenfalls werden Multikomponentenpartikel hergestellt, welche aus einem plasmonischen Teil zum schnellen Aufheizen unter Laserbestrahlung und einem weiteren Teil aus einem katalytisch aktiven Material bestehen. Die durch den Laserpuls im plasmonischen Partikel erzeugte Wärme wird auf den katalytisch aktiven Part übertragen und an dessen Oberfläche läuft dann eine chemische Reaktion ab. Verschiedene einfache chemische Reaktionen, die entweder direkt an der Oberfläche der schnell aufheizbaren Nanopartikel oder in ihrer unmittelbaren Umgebung in Lösung ablaufen, werden untersucht. Die Bedingungen werden dabei so gewählt, dass makroskopisch praktisch keine Erwärmung der Lösung auftritt und nur extrem kurze und extrem stark lokalisierte Temperaturspitzen auftreten. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden Rückschlüsse darauf zulassen, wie die Wärmeleitung in Lösungen auf extrem kurzen Zeitskalen und über sehr kurze Abstände verläuft, wobei hier auch solche Szenarien von besonderem Interesse sind bei den die Partikeltemperatur direkt nach dem Temperaturpuls deutlich über der Siedetemperatur des Lösungsmittels liegt, da solche Szenarien auf makroskopische Größenskala nicht realisiert werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Carsten Reinhardt