Das wissenschaftliche Feld, dass sich mit der Herstellung und Erforschung von Nanopartikeln und deren Eigenschaften beschäftigt, erfährt in den letzten Jahren einen stetigen Zuwachs an Bedeutung. Durch ihre Größe von wenigen Nanometern und dem entsprechend hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen unterscheiden sich chemische und physikalische Eigenschaften dieser Cluster oft stark von jenen des ausgedehnten Festkörpers. Dies macht Nanopartikel interessant für Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen, wie z.B. in der Sensorik, Katalyse oder auch Medizintechnik. Um die einzigartigen Eigenschaften nutzen zu können, muss allerdings das Verhalten von Materialen in dieser Größenordnung im Rahmen von Grundlagenforschung zuerst genau betrachtet und verstanden werden. Hier am Institut für Experimentalphysik (IEP) der TU Graz in der Ernst Gruppe leisten wir einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Eigenschaften von metallischen Nanopartikeln.
Die Herstellung dieser Metallcluster erfolgt dabei mit der einzigartigen Methode der Heliumtropfen-Synthese, bei der Metallatome in kalte, superfluide Heliumtropfen gedopt werden und sich in diesen zu Clustern zusammenschließen. Um diese Herstellungsmethode hier am IEP zu etablieren, wurde vor einigen Jahren das Cluster 3 Labor aufgebaut und in Betrieb genommen. Ein großer Vorteil der Heliumtropfen-Synthese ist die hohe Reinheit der Nanopartikel, die mit anderen Syntheseverfahren nur schwer zu erzeugen ist. Des Weiteren können auf diese Weise auch Kern- und Schalenstrukturen aus zwei verschiedenen Metallen hergestellt werden.
Um Forschung auf internationalem Niveau betreiben zu können, ist neben der Erzeugung der Nanopartikel auch deren Analyse und die theoretische Beschreibung ihrer Eigenschaften wichtig und notwendig. Zu diesem Zweck gibt es enge Kooperationen mit der Hauser Gruppe hier am IEP, die im theoretischen Bereich der Molekülphysik und Quantenchemie große Expertise besitzt, und dem Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) der TU Graz, das uns die Abbildung der Partikel mit sub-Nanometer Auflösung ermöglicht.
Neben der Herstellung von metallischen Nanoclustern und deren Visualisierung mittels Elektronenmikroskopie, werden am Institut noch weitere Forschungsbereiche abgedeckt. In einem der Projekte werden die katalytischen Eigenschaften der Metallcluster genauer untersucht. Um Informationen über die optischen und plasmonischen Eigenschaften der Partikel zu erhalten werden verschiedene Methoden aus dem Bereich der Atom- und Molekülspektroskopie angewendet. Eine neuartige Technik liefert dabei das 2018 aufgebaute Photo-Emissions-Elektronenmikroskop. Bei der Analyse von bi-metallischen Clustern werden außerdem noch die Bildung und Eigenschaften von Nano-Legierungen genauer untersucht.
Weitere Informationen zu den einzelnen Forschungsbereichen finden Sie hier.
