Oavsett om det gäller innovativa högteknologiska material, kraftfullare datorchips, läkemedel eller inom området förnybar energi, nanopartiklar utgör grunden för en hel rad nya tekniska utvecklingar. På grund av kvantmekanikens lagar, sådana partiklar som bara mäter några miljondelar av en millimeter kan bete sig helt annorlunda när det gäller konduktivitet, optik eller robusthet än samma material i makroskopisk skala. Dessutom, nanopartiklar eller nanokluster har en mycket stor katalytiskt effektiv yta jämfört med deras volym. För många applikationer möjliggör detta materialbesparingar samtidigt som samma prestanda bibehålls.

Forskare vid Institutet för experimentell fysik (IEP) vid Graz tekniska högskola har utvecklat en metod för att sätta ihop nanomaterial efter önskemål. De låter superflytande heliumdroppar med en inre temperatur på 0,4 Kelvin (dvs minus 273 grader Celsius) flyga genom en vakuumkammare och introducerar selektivt individuella atomer eller molekyler i dessa droppar. "Där, de smälter samman till ett nytt aggregat och kan avsättas på olika substrat, " förklarar experimentfysikern Wolfgang Ernst från TU Graz. Han har arbetat med denna så kallade helium-droppsyntes i tjugofem år nu, har successivt utvecklat det ytterligare under denna tid, och har producerat kontinuerlig forskning på högsta internationella nivå, framförs mest i "Cluster Lab 3, " som har skapats specifikt för detta ändamål vid IEP.

Förstärkning av katalytiska egenskaper

I Nanoforskning , Ernst och hans team rapporterar nu om den riktade bildningen av så kallade kärn-skal-kluster med hjälp av helium-droppsyntes. Klustren har en 3 nanometer kärna av silver och ett 1,5 nanometer tjockt skal av zinkoxid. Zinkoxid är en halvledare som används, till exempel, i strålningsdetektorer för mätning av elektromagnetisk strålning eller i fotokatalysatorer för att bryta ner organiska föroreningar. Det speciella med materialkombinationen är att silverkärnan ger en plasmonisk resonans, dvs den absorberar ljus och orsakar därmed en hög ljusfältsförstärkning. Detta försätter elektroner i ett exciterat tillstånd i den omgivande zinkoxiden, därigenom bildar elektron-hål-par - små delar av energi som kan användas någon annanstans för kemiska reaktioner, såsom katalysprocesser direkt på klusterytan. "Kombinationen av de två materialegenskaperna ökar effektiviteten hos fotokatalysatorer oerhört. Dessutom, det skulle vara tänkbart att använda ett sådant material vid vattenklyvning för väteproduktion, säger Ernst, namnge ett användningsområde.

Nanopartiklar för laser och magnetiska sensorer

Förutom kombinationen av silver-zinkoxid, forskarna producerade andra intressanta kärna-skal-kluster med en magnetisk kärna av grundämnena järn, kobolt eller nickel och ett skal av guld. Guld har också en plasmonisk effekt och skyddar även den magnetiska kärnan från oönskad oxidation. Dessa nanokluster kan påverkas och styras både av lasrar och av externa magnetfält och är lämpliga för sensorteknik, till exempel. För dessa materialkombinationer, temperaturberoende stabilitetsmätningar samt teoretiska beräkningar utfördes i samarbete med IEP teorigruppen ledd av Andreas Hauser och teamet av Maria Pilar de Lara Castells (Institute of Fundamental Physics vid det spanska nationella forskningsrådet CSIC, Madrid) och kan förklara beteendet vid fasövergångar såsom legeringsbildning som avviker från makroskopiska materialprover. Resultaten publicerades i Journal of Physical Chemistry .

Ernst hoppas nu att resultaten från experimenten snabbt kommer att överföras till nya katalysatorer "så snart som möjligt."