Reaktive Fluide

Wir sind Vorreiter bei der Entwicklung fortschrittlicher optischer Diagnosetechniken für In-situ-Messungen bei der Nanopartikelsynthese. Wir nutzen die chemische und physikalische Charakterisierung der Reaktionszone und der Produkte, um ein besseres Verständnis der Nanopartikelbildung in Flammen- und Mikrowellenplasmareaktoren zu erlangen. Durch die Kopplung unserer Messungen mit kinetischen Simulationen der Partikelbildung und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) wollen wir ein umfassendes Verständnis des Nanopartikelsyntheseprozesses erreichen. Dieser integrierte Ansatz ermöglicht es uns, die Syntheseparameter zu optimieren und die gewünschten Nanopartikeleigenschaften mit hoher Präzision zu erzielen.

Nachfolgend sind die wichtigsten von uns verwendeten Techniken aufgeführt:

NO- und OH-Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) zur Messung der Gasphasentemperatur

Die Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF) ist eine leistungsstarke Technik zur Messung der Temperatur in Verbrennungsumgebungen. Durch Anregung von NO und OH können wir anhand der Fluoreszenzsignale die Gasphasentemperatur bestimmen. Diese Messungen sind entscheidend für das Verständnis der thermischen Bedingungen während der Nanopartikelsynthese.

LIF zur Messung von Zwischenprodukten bei der Zersetzung von Precursorn

Wir verwenden LIF, um Zwischenprodukte zu erkennen und zu messen, die bei der Zersetzung von Vorläufern wie atomaren (z. B. Fe) oder molekularen Spezies (z. B. SiO) entstehen. Diese Technik hilft bei der Identifizierung von transienten Spezies, die eine entscheidende Rolle bei der Bildung und dem Wachstum von Nanopartikeln spielen. Das Verständnis dieser Zwischenprodukte ist der Schlüssel zur Optimierung der Synthesebedingungen für die gewünschten Partikeleigenschaften.

Laser-induced incandescence (LII) zur Partikelgrößenmessung

LII wird zur Messung der Größe und räumlichen Verteilung von Nanopartikeln eingesetzt. Durch Erhitzen der Partikel mit einem Laserimpuls induzieren wir eine Glühung, wobei die resultierende Emissionsintensität mit der Partikelgröße zusammenhängt. Diese Technik ist besonders nützlich für die Echtzeitüberwachung des Partikelwachstums während der Synthese. Obwohl sie hauptsächlich für Ruß verwendet wird, erweitern wir diese Methode systematisch auf Nicht-Ruß- (z. B. Graphen) und Nicht-Kohlenstoff-Nanopartikel (z. B. Si, Fe).

Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) und elastische Streuung zur Messung der Partikelbildung

LIBS ist eine robuste Methode zur Analyse der elementaren Zusammensetzung von Partikeln, die während der Synthese gebildet werden. Durch die Fokussierung eines hochenergetischen Laserpulses auf die Partikel induzieren wir ein Plasma, das charakteristische Spektrallinien emittiert. In einem mittleren Laserfluenzbereich stammt LIBS ausschließlich von Partikeln (ps-LIBS) und bietet daher eine alternative Methode zum Nachweis des Auftretens von Nanopartikeln in Reaktionsströmen. Zusätzlich werden elastische Streutechniken zur Messung von Partikelgrößen und -verteilungen eingesetzt. Zusammen liefern diese Methoden umfassende Informationen über die Dynamik der Partikelbildung.

Pyrometrie zur Messung der Partikeltemperatur

Die Pyrometrie wird zur Messung der Temperatur von Partikeln während der Synthese eingesetzt. Dieses berührungslose Verfahren basiert auf der Erfassung der von den Partikeln abgegebenen Wärmestrahlung, wodurch wir ihre Temperatur genau bestimmen können. Das Verständnis der Partikeltemperatur ist entscheidend für die Steuerung von Synthesevorgängen und das Erreichen der gewünschten Partikeleigenschaften.

Kombinierte Absorptions- und Emissionsmessungen

Die optischen Eigenschaften von Nanopartikeln sind phasenabhängig. Daher ändern sich Absorptions- und Emissionsspektren sowie Querschnitte, wenn flüssige Partikel erstarren, und sie können je nach Kristallstruktur und Stöchiometrie unterschiedlich sein (z. B. die verschiedenen Farben von Eisenoxiden). Wir untersuchen diese optischen Eigenschaften, um verschiedene optische Detektionsmethoden für Partikel abzuleiten. Solche Daten, die aus einer detaillierten spektroskopischen Charakterisierung resultieren, sind für LII- und Pyrometrie-Messungen von entscheidender Bedeutung. Wir haben auch Absorptionsmessungen zum Nachweis der Verfestigung von Silizium-Nanopartikeln demonstriert, die in Plasmaströmen gebildet wurden.

Particle Image Velocimetry (PIV) zur Messung der Geschwindigkeit in der Gasphase

Particle Image Velocimetry (PIV) wird zur Messung der Geschwindigkeit von Gasströmungen eingesetzt. Durch das Einbringen von Tracerpartikeln in die Strömung und deren Beleuchtung mit einem Laserblatt erfassen wir Bilder, anhand derer wir das Geschwindigkeitsfeld berechnen können. Diese Informationen helfen dabei, die Dynamik von Wechselwirkungen in der Gasphase und deren Einfluss auf die Bildung von Nanopartikeln zu verstehen.

Unser integrierter Ansatz, der sich diese fortschrittlichen optischen Diagnosemethoden zunutze macht, ermöglicht uns tiefe Einblicke in die komplexen Prozesse der Nanopartikelsynthese. Diese Techniken verbessern nicht nur unser Verständnis, sondern helfen auch bei der Optimierung der Syntheseparameter für die Herstellung von Nanopartikeln mit spezifischen Eigenschaften.