Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoteilchen aus Gold gruppieren sich selbständig

04.08.2014

Eine erstaunliche Beobachtung haben Forscher des HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin gemacht: Sie untersuchten die Bildung von Gold-Nanoteilchen in einem Lösungsmittel und stellten fest, dass sich die Nanoteilchen nicht gleichmäßig verteilten, sondern von selbst zu kleinen Clustern gruppierten.

Dies wiesen sie mit Kleinwinkelstreuung an BESSY II nach. Eine Überprüfung am Elektronenmikroskop bestätigte ihren Befund. „Die Forschung daran geht jetzt weiter, denn wir sind überzeugt, dass sich solche Nanocluster als günstige Katalysatoren eignen, sei es in Brennstoffzellen, bei der Wasserspaltung mit Sonnenlicht oder für andere technisch wichtige Reaktionen“, erklärt Dr. Armin Hoell (HZB). Die Ergebnisse sind eben in zwei angesehenen Fachjournalen erschienen.


Kryo-TEM Aufnahme von Gold Nanoteilchen in dem besonderen Lösungsmittel. Die Sputterzeit beträgt 300 s. Domänen mit selbstangeordneten Nanoteilchen sind rot markiert.

Bild: HU Berlin/HZB


Schematische Darstellung der Selbstorganisation von Clustern aus Gold-Nanoteilchen.

Bild: HU Berlin/HZB

„Das Besondere an dem neuen Verfahren ist, dass es extrem einfach ist und mit einem umweltfreundlichen und billigen Lösungsmittel funktioniert“, erklärt Professor Dr. Klaus Rademann von der HU Berlin. Das Lösungsmittel besteht tatsächlich aus zwei Pulvern, die man eher in der Landwirtschaft vermuten würde als in einem Forschungslabor:

Ein Hühnerfutterzusatz (Cholin-Chlorid oder Vitamin B) sowie Harnstoff (Urea). Vor ein paar Jahren entdeckten britische Kollegen, dass die beiden Pulver vermischt eine transparente Flüssigkeit bilden, die in der Lage ist, Metalloxide und Schwermetalle zu lösen. Über diesem Lösungsmittel brachten die Berliner Forscher nun eine Goldfolie an, aus der sie durch Beschuss mit Edelgasionen einzelne Goldatome herauslösten. Dabei bildeten sich zunächst die Nanoteilchen, die sich im Lösungsmittel verteilen.

Überraschende Befunde: Nanoteilchen hören mit 5 nm auf zu wachsen und „organisieren“ sich
Je länger der Beschuss der Goldfolie (Sputtern) dauert, desto größer könnten die Nanoteilchen werden, vermuteten die Wissenschaftler.

Doch dies war nicht der Fall: bei einem Durchmesser von fünf Nanometern hörten die Teilchen auf zu wachsen. Stattdessen bildeten sich bei längerer Sputter-Zeit auch immer mehr Nanoteilchen. Die zweite Überraschung: Diese Nanoteilchen verteilten sich nicht einfach gleichmäßig in der Flüssigkeit, sondern organisierten sich von selbst zu kleinen Grüppchen oder Clustern, die aus bis zu zwölf Nanoteilchen bestehen konnten.

Unverzichtbar: Kleinwinkelstreuung mit Synchrotronlicht
Solche Beobachtungen lassen sich allerdings nicht unter einem Mikroskop machen, sondern erfordern eine indirekte und mittelnde Methode: „Mit der Kleinwinkelstreuung an BESSY II konnten wir nicht nur ermitteln, dass die Nanoteilchen alle um die fünf Nanometer im Durchmesser sind, sondern auch ausmessen, welche Abstände sie untereinander haben. Dabei fanden wir dann, dass sie sich zu Clustern anordnen“, erklärt Hoell.

Simulationen, Messungen und TEM-Mikroskopie: Jetzt passt alles
„Um die Messergebnisse zu verstehen, haben wir vorab im Computer durchgespielt, wie sich die Nanoteilchen in der Lösung verteilen könnten und dann die Ergebnisse der Simulation mit den Ergebnissen der Kleinwinkelstreuung verglichen“, erklärt Dr. Vikram Singh Raghuwanshi, der als Postdoktorand an der HU Berlin und am HZB arbeitet. Eine Aufnahme mit dem Kryo-Transmissionselektronenmikroskop, die ein Kollege an der HU anfertigte, bestätigte ihren Befund. „Mit der Elektronenmikroskopie alleine hätten wir dieses Resultat jedoch nicht erzielen können, da sie immer nur Details und Ausschnitte aus der Probe zeigen kann“, betont Hoell. „Um generelle Trends und Mittelwerte auszumessen, ist die Kleinwinkelstreuung unverzichtbar!“

Lösungsmittel mit besonderen Eigenschaften
Dass das besondere Lösungsmittel bei diesem Selbstordnungsprozess eine wichtige Rolle spielt, liegt für die Forscher auf der Hand: verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Ionen des Lösungsmittels und den Gold-Partikeln sorgen dafür, dass die Nanopartikel erstens nur wenige tausend Atome stark werden und zweitens sich dann gegenseitig etwas anziehen, allerdings nur schwach, so dass die kleinen Cluster entstehen. „Wir wissen aber, dass solche kleinen Cluster aus Nanopartikeln als Katalysatoren für gewünschte chemische Reaktionen ganz besonders wirkungsvoll sind: Eine mehrfache Verstärkung der Reaktionsgeschwindigkeit nur aufgrund der Anordnung wurde schon nachgewiesen.“, sagt Rademann.

Experimente zur Katalysewirkung geplant
Dr. Raghuwanshi wird diese Ergebnisse und eine Vorschau auf die nun geplanten Forschungsansätze zur Katalyse nun auf der Internationalen Konferenz IUCr2014 vortragen, die vom 5.8. –12.8. 2014 Montreal, Kanada, stattfindet. Im kommenden Jahr wird das HZB übrigens Gastgeber für die 16. Internationale Kleinwinkelstreukonferenz, SAS2015 sein.

Weitere Informationen:
Dr. Armin Hoell
Abteilung Mikrostruktur und Eigenspannungsanalyse
Tel.: +49 (0)30-8062-14678
hoell@helmholtz-berlin.de

Prof. Klaus Rademann
Humboldt-Universität Berlin
klaus.rademann@chemie.hu-berlin.de

Dr. Vikram Singh Raghuwanshi
Helmholtz-Zentrum Berlin
vsingh4u@gmail.com

Pressestelle
Dr. Antonia Rötger
Tel.: +49 (0)30-8062-43733
antonia.roetger@helmholtz-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14017&sprache=de&ty...
http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/la500979p
http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cc/c4cc02588a

Dr. Ina Helms | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide
20.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Metamaterial: Kettenhemd inspiriert Physiker
19.01.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise