Mechanistische Einblicke in die Nanocluster-Bildung durch Mikropartikel-Laserfragmentierung in Flüssigkeiten: Entschlüsselung photothermischer und photomechanischer Prozesse für die kontrollierte Synthese von Nanoclustern

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Heinz Paul Huber; Dr. Anna Rosa Ziefuss
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562785215

Die Lasersynthese und Verarbeitung von Kolloiden (LSPC) ist eine etablierte Technik zur Erzeugung von ligandenfreien Nanopartikeln (NPs) und Nanoclustern (NCs). NCs mit einer Größe von weniger als 3 nm sind aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, ihrer katalytischen Aktivität und ihrer Photolumineszenz attraktiv, was sie für Anwendungen in den Bereichen Katalyse, Biomedizin, und Energieumwandlung wertvoll macht. Die Standardmethode zur Herstellung von NCs umfasst einen zweistufigen Prozess: Laserablation in Flüssigkeit (LAL), gefolgt von Nanopartikel Laser Fragmentierung in Flüssigkeit (NP-LFL). Die Herstellung von Nanopartikeln erfordert zwei Prozessaufbauten, eine präzise Steuerung und erhebliche finanzielle Investitionen, was die Skalierbarkeit und Größenselektivität erschwert. Micropartikel (MP)-LFL kombiniert die Vorteile von LAL und NP-LFL in einem einzigen Prozess und ermöglicht eine ligandenfreie NC-Erzeugung mit skalierbarer Produktivität und Kontrolle über die Partikeleigenschaften. Bei der MP-LFL gibt es jedoch Herausforderungen mit der NC-Selektivität und dem Durchsatz, wobei die Ergebnisse hinsichtlich der NC-Ausbeute widersprüchlich sind. In einigen Studien wurde eine 100%ige selektive NC-Ausbeute nachgewiesen, während in anderen Studien die Bildung von NPs als Nebenprodukt festgestellt wurde, was darauf hindeutet, dass ein tieferes Verständnis der Mechanismen bei MP-LFL erforderlich ist. Dieses Projekt soll diese Wissenslücke schließen, indem die Mechanismen der NC-Bildung in MP-LFL untersucht werden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung der photomechanischen und photothermischen Beiträge zum Fragmentierungsprozess. Die Projektpartner, Prof. Huber von der HM, der sich auf die zeitaufgelöste Untersuchung der Ablationsdynamik spezialisiert hat, und Dr. Ziefuss von der UDE, die sich mit der Dynamik von Partikelsuspensionen auskennt, werden zusammenarbeiten, um Erkenntnisse über die NC-Bildung und die Fragmentierungseffizienz zu gewinnen. Unter Verwendung von Gold (Au) und Lanthanhexaborid (LaB6), zwei Materialien mit ähnlichen optischen Eigenschaften, aber unterschiedlicher Zugfestigkeit, wird im Rahmen des Projekts untersucht, wie Laserparameter wie Fluenz und Pulsdauer die selektive Ausbeute von NCs beeinflussen. Experimente mit einzelnen Partikeln und Partikelsuspensionen an HM und UDE werden einen umfassenden Einblick in die Dynamik von MP-LFL geben. Durch ein besseres Verständnis der MP-LFL-Mechanismen zielt dieses Projekt darauf ab, die selektive NC-Ausbeute zu maximieren und den Weg für eine skalierbare und effiziente NC-Produktion im industriellen Maßstab zu ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen