Untersuchung von in Wasser dispergierten Metallnanopartikeln mit intensiver Terahertz-Spektroskopie

• Antragsteller: Fabio Novelli, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509442914

Dieses Projekt zielt darauf ab, die grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften von Kolloiden aus Metallnanopartikeln (NP) in Wasser mit intensiver und transienter Terahertz-Spektroskopie zu untersuchen:1) Wie entsteht Ladungstransport innerhalb von Metall-Nanopartikeln in einer Flüssigkeit?Es ist wichtig, die NP-Leitfähigkeiten im Nanomaßstab zu messen, da, wie in (Hartland et al., ACS Energy Lett. 2, 1641, 2017) angegeben, „die direkten experimentellen Messungen der spektralen Verteilungen […] noch erforderlich sind“. Während die THz-Spektroskopie empfindlich auf Änderungen der Leitfähigkeit der Träger reagiert, wurden solche Experimente nicht an Metall-NP in Lösung durchgeführt. Ich schlage vor, intensive Terahertz-Zeitbereichsspektren (INTHz-TDS) als Funktion von NP-Größe, -Konzentration und -Form zu messen. Dieser Ansatz wird durch die Messung weitverbreiteter Nanopartikel wie Gold evaluiert. Insbesondere durch Änderung der NP-Größe wird es möglich sein, Träger zu untersuchen, die entweder schwach (10-100 nm) oder stark lokalisiert (≤5 nm) sind.2) Welche Eigenschaften hat die ausgedehnte Hydratationsschicht um Nanopartikel?Während vermutet wurde, dass die Hydratationsschichten die NP-Struktur, den Magnetismus, die Adsorption und die Radikalproduktion beeinflussen können, sind die experimentellen Ergebnisse rar. Wir haben kürzlich Hinweise auf eine reduzierte Kooperativität im Wasserstoffbrückennetzwerk um Goldnanopartikel gefunden, aber wir waren nicht in der Lage, alle Solvatationsschichten zu untersuchen (J. Phys. Chem. B 123, 6521, 2019). Durch die THz-Spektroskopie lassen sich diese weiter analysieren. Ich halte diese experimentelle Methode für angemessen, da sie, wie in (Zobel, Acta Cryst. A72, 621, 2016) angegeben, „auf Umlagerungen und Relaxationen von Wasserstoffbrücken in der Zeitskala von Pikosekunden zugreifen kann“, aber „bisher wurde die Methode hauptsächlich zur Untersuchung biologischer Systeme eingesetzt“.3) Ist es möglich, Wasserdynamik an der Nanopartikel-Grenzfläche auszulösen und zu detektieren?Wie in (Carrasco et al., Nat. Mater. 11, 667, 2012) festgestellt wurde: „Wasser/Feststoff-Grenzflächen sind wichtig für ein unglaublich breites Spektrum alltäglicher Phänomene und wissenschaftlicher und technologischer Prozesse […]“. Kürzlich zeigte die Gruppe um Benderskii (Nature 594, 62, 2021), dass das Wasserstoffbrückennetzwerk in der Nähe einer geladenen Graphenelektrode unterbrochen wird, während Fumagalli et al. (Science 360, 1339, 2018) zeigten, dass die Dielektrizitätskonstante der Grenzflächenwasserschicht klein ist. Allerdings ist wenig über die Dynamik der Hydratationswasserschichten bekannt, insbesondere um Metallnanopartikel mit kleinen Oberflächen mit starker Krümmung. Um dieser Frage weiter nachzugehen, schlage ich vor, Terahertzsonden-Experimente mit optischer Pumpe an Kolloiden von Gold-NP in Wasser durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen