Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das schwebende Wassertropfenlaboratorium

22.11.2013
Forschungsgruppe der Uni Kiel und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht entwickeln nachhaltige Methode zur Herstellung von Nanopartikel und nanoporösen Metallen

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) ist nun ein wichtiger Schritt in Richtung grüne Nanotechnologie gelungen.


(a) Goldsalze wurden in einem schwebenden Wassertropfen ohne weitere Zusätze in Gold-Nanopartikeln umgewandelt. Der Tropfen schrumpft langsam von einer gelben Platte zu einem roten sphärischen Tröpfchen zusammen. Maßstab 2 mm. (b) Hellfeld-Transmissionselektronenmiskroskop-Aufnahme der Au-Nanopartikeln, Maßstab 20 nm und (c) Größenverteilung der Partikeln (d) Hochauflösender Mikrograph durch Transmissionselektronenmikroskopie
Abbildung/Copyright: Nature Communications

Der Bedarf an Nanopartikeln, also Teilchen, die über 1000 Mal kleiner sind als der Durchmesser eines Menschenhaares, wächst beständig. Diese Materialien sind prädestiniert für den Einsatz in elektronischen Bauteilen, Arzneimitteln, Beschichtungen und chemischen Synthesen. Bisher ist ihre Herstellung wenig umweltfreundlich, häufig muss auf giftige Chemikalien zurückgegriffen werden.

Ein simpler Tropfen Wasser dient den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von CAU und HZG jetzt als schwebender Reaktor, um die winzigen Strukturen zu bauen. Die Teilchen können sich auf diese Weise auch selbst zu nanoporösem Material zusammenfinden. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ als Highlight veröffentlicht.

Das zugrunde liegende Phänomen ist bekannt: Ein Wassertropfen fällt auf eine heiße Herdplatte und scheint berührungslos darüber zu schweben. Dieser so genannte Leidenfrost-Effekt entsteht, wenn die Temperatur der Platte viel höher ist als der Siedepunkt des Wassers. Ein Dampfpolster entsteht, auf dem der Tropfen gleitet, bis er vollständig verdampft. Die Forschenden der Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsgruppe Nanochemistry and Nanoengineering um Professor Mady Elbahri, CAU und HZG, machten sich für ihre Studie genau diesen Effekt zunutze. Sie platzierten einen Wassertropfen gefüllt mit Goldsalzen auf einer 270 Grad Celsius heißen Platte. Die schwebende gelbliche Lösung verwandelte sich innerhalb von zwei Minuten in einen roten Tropfen: Gold-Nanopartikel waren entstanden. „Gold-Nanopartikel sind begehrt und haben unglaublich vielfältige Anwendungsgebiete in der medizinischen Diagnostik, Luft- und Wasserreinigung sowie in der Elektronik. Unsere Herstellungsmethode mit dem Leidenfrost-Reaktor kommt ohne zusätzliche Wirkstoffe und aufwendige Technik aus“, sagt Elbahri.

Auch für andere Metalle und Metalloxide sei dieses „grüne“ Verfahren geeignet. Hoch interessant ist die Kombination von Leidenfrost-Chemie und Leidenfrost-Dynamik (Eigenrotation des Tropfens). Dabei werden die Nanoteilchen gebildet und organisieren sich selbst zu nanoporösem Gold. Man kann mit diesem Prozess aber auch ein Substrat, wie zum Beispiel einen polymeren Schaum beschichten, um damit leichtgewichtige und thermisch widerstandsfähige Bauteile zu erzeugen, erklärt Elbahri.

Im Falle der Metalloxide bilden sich faszinierende Mikrostrukturen, welche von Elbahris Kieler Kollegen Professor Lorenz Kienle und dessen Team mit modernsten Techniken der Elektronenmikroskopie analysiert wurden. Da sich die Strukturen in ungewöhnlicher Weise, fernab vom chemischen Gleichgewicht bilden, sei hier, so Kienle, in naher Zukunft mit weiteren interessanten Ergebnissen zu rechnen.

Wie funktioniert das Labor im Leidenfrost-Tropfen?

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass der Wassertropfen auf der heißen Platte ein überhitzter und elektrisch geladener chemischer Reaktor ist“, erklärt Co-Autor der Studie Ramzy Abdelaziz. Das Wasser verdampfe so schnell beim Kontakt mit der heißen Oberfläche, dass es sich selbst ionisiere. Negativ geladene Hydroxyl-Ionen verbleiben dabei im Wasser, während sich positiv geladene Ionen im Dampf darunter befinden. Ein basischer pH-Wert im Tropfen ist die Folge, der für den chemischen Prozess der Nanosynthese nötig ist. „Wasser unter Leidenfrost-Bedingungen fungiert in der Reaktion wahrscheinlich als Katalysator“, vermutet Abdelaziz. Das herauszufinden, sei einer der nächsten Schritte der Chemikerinnen und Chemiker.

Jetzt will das Team Nanopartikeln im größeren Maßstab auf diese Weise herstellen, denn Millionen Tonnen dieser Materialien werden jährlich für den Markt benötigt. Anwendung finden sollen die nachhaltig geschaffenen Teilchen mit den nützlichen Eigenschaften vornehmlich in ebenso nachhaltigen Funktionen im Umwelt- und Energiebereich in Elektroden oder Filtern,.

Gefragt, wie er auf die genial einfache Methode zur Herstellung von Nanopartikeln kam, antwortet Elbahri: „Zuhause beim Pfannkuchenbacken! Ich hatte versehentlich etwas Wasser auf die Herdplatte gespritzt und dann beobachtet, wie die schwebenden Tropfen nach dem Verdampfen dort Rückstände hinterließen.“ Zurück im Labor, versuchte er es, inspiriert durch dieses Erlebnis, zunächst mit gelöstem Zinkacetat und Silbernitrat – und entdeckte Zinkoxid- und Silbernanocluster auf der heißen Oberfläche. Ein Durchbruch, der sieben Jahre später einen viel versprechenden Weg Richtung nachhaltiger Produktion von funktionalen Nanomaterialien eröffnet. „Es war kein leichter Weg, das Ganze kontrollieren und vor allem verstehen zu können. Ich glaube es wird noch Zeit brauchen, bis wir das ganze Leidenfrost-Phänomen beschreiben können und nicht nur die Chemie dahinter. Das ist unser nächstes Ziel“, sagt Elbahri.

Doch mit der Herstellung von einfachen Nanopartikeln geben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nicht zufrieden. „Vor kurzem ist es uns auch gelungen schaltbare funktionalen Nanomaterialien in dem Tropfen herzustellen“, sagt Duygu Disci-Zayed, ein weiterer Autor der Studie. Entstanden sind die Arbeiten der gemeinsam am Helmholtz-Zentrum Geesthacht und an der CAU Kiel tätigen Forschungsgruppe innerhalb des Projektes DFG EL 554/1-1 und des Kieler Sonderforschungsbereichs (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“. Beide werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Im SFB 677 widmen sich etwa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Entwicklung von molekularen Maschinen. Die künstlichen Systeme, die durch Licht an- und ausschaltbar sein sollen, sollen zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Neben „Nature Communications“ haben weitere namhafte Magazine wie „Chemistry World“ und „Chemistry & Engineering News“ über die Forschungsergebnisse berichtet.

Originalpublikation:
Ramzy Abdelaziz, Duygu Disci-Zayed, Mehdi Keshavarz Hedayati, Jan-Hendrik Pöhls, Ahnaf Usman Zillohu, Burak Erkartal, Venkata Sai Kiran Chakravadhanula, Viola Duppel, Lorenz Kienle, Mady Elbahri. Green chemistry and nanofabrication in a levitated Leidenfrost drop. Nat. Commun. 4:2400 doi: 10.1038/ncomms3400 (2013)
Bilder stehen zum Download bereit:
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-1.jpg
Bildunterschrift: Die stolzen Autoren der Forschungspublikation versammelt um den Leidenfrost-Tropfenreaktor: (v.l.) Ahnaf Usman Zillohu, Mehdi Keshavarz Hedayati, Duygu Disci-Zayed, Ramzy Abdelaziz, Lorenz Kienle und Mady Elbahri

Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-2.jpg
Bildunterschrift: Ein Tropfen farblose Zinklösung auf der heißen Platte…
Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-3.jpg
Bildunterschrift: …verwandelt sich zu einer schwebenden milchigen Flüssigkeit: Zink-Nanopartikeln

Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-4.jpg
Bildunterschrift: Die Goldsalz-Lösung ist zunächst leicht gelblich.
Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU
http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-5.jpg
Bildunterschrift: Nach nicht einmal zwei Minuten haben sich schwarze und braune Gold-Nanopartikeln gebildet.

Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-6.jpg
Bildunterschrift: Ramzy Abdelaziz, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Kieler “Nanochemistry and Nanoengineering”-Forschungsgruppe, stellt Nanopartikeln in einem Leidenfrost-Reaktor auf einer einfachen Heizplatte her.

Foto/Copyright: Schimmelpfennig/CAU

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-7.mov
Video: Synthese von Gold-Nanopartikeln im Leidenfrost-Tropfenreaktor: Gelbe Goldsalze in einem Wassertropfen wandeln sich während sie über einer heißen Platte schweben in plasmonische rote Gold-Nanopartikeln um.

Quelle: Nature Communications

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-8.jpg
Bildunterschrift: (a) Goldsalze wurde in einem schwebenden Wassertropfen ohne weitere Zusätze in Gold-Nanopartikeln umgewandelt. Der Tropfen schrumpft langsam von einer gelben Platte zu einem roten sphärischen Tröpfchen zusammen. Maßstab 2 mm. (b) Hellfeld-Transmissionselektronenmiskroskop-Aufnahme der Au-Nanopartikeln, Maßstab 20 nm und (c) Größenverteilung der Partikeln (d) Hochauflösender Mikrograph durch Transmissionselektronenmikroskopie

Abbildung/Copyright: Nature Communications

http://www.uni-kiel.de/download/pm/2013/2013-353-9.jpg
Bildunterschrift: Herstellungsschritte von nanoporösem Gold: (a) Schwammige Struktur auf einem Probenträger, es wurde lediglich Natriumhydroxid eingesetzt (b) Eine durch den Leidenfrost-Effekt auf einer heißen Platte schwebende Pfütze von nanoporösem braunem Gold (c) Die gleiche Lösung (b) in einem Glasbehälter (a–c) Maßstab 1 cm. Synthese-Schritte von festem nanoporösem sphärischem Gold vom Anfang (d) bis zum Endprodukt als Schwamm (e-h). Maßstab 1 mm (i) Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des schwammigen braunen Goldes, Mapstab 100 μm. (j) Höher aufgelöste Aufnahme derselben Probe wie in i. Maßstab 300 nm. (k) Eine Pfütze nanoporöses schwarzes Gold auf einer heißen Platte (l) Die gleiche Lösung wie in (k) in einem Glasbehälter (k,l) Maßstab 1 cm.

Abbildung/Copyright: Nature Communications

Kontakt:
Prof. Mady Elbahri
Institut für Materialwissenschaft
Nanochemistry and Nanoengineering
Tel.: 0431/880 6230
E-Mail: me@tf.uni-kiel.de
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski, Text: Denis Schimmelpfennig
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
E-Mail: presse@uv.uni-kiel.de

Dr. Boris Pawlowski | Uni Kiel
Weitere Informationen:
http://www.uni-kiel.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Advanced Materials: Glas wie Kunststoff bearbeiten
18.05.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Stärkstes Biomaterial der Welt schlägt Stahl und Spinnenseide
17.05.2018 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

Tagung »Anlagenbau und -betrieb der Zukunft«

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Wie Immunzellen Bakterien mit Säure töten

18.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics