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DFG-Forschergruppe 2284

Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel

Funktionsmaterialien auf Basis anorganischer Nanopartikel haben ein großes Anwendungspotenzial. Über die pure Variation der chemischen Zusammensetzung hinaus, eröffnet die Strukturgröße eine neue Dimension für die Erzeugung ungewöhnlicher Materialeigenschaften. Hochpotente Energiespeichermaterialien, edelmetallfreie Katalysatoren, effiziente halbleitende Lichtabsorber und ‐emitter oder biokompatible Materialien für die medizinische Diagnostik sind nur einige Beispiele für das Anwendungsspektrum anorganischer Nanomaterialien. Neben der Zusammensetzung der im Syntheseverlauf entstehenden primären Partikel entscheidet die Morphologie darauf aufbauender sekundärer und tertiärer Strukturen über die praktische Anwendbarkeit der Materialien. Um diese strukturbasierten Eigenschaften beeinflussen und nutzen zu können, ist eine hochspezifische Synthese zwingend erforderlich, mit der – auf der Basis der primären Nanopartikel – Strukturgröße, Morphologie und strukturell definierte Materialkombinationen gezielt und reproduzierbar eingestellt werden können. Damit Nanomaterialien mit den entsprechenden Eigenschaften auch in industrierelevanten Mengen hergestellt werden können, muss zudem die Skalierbarkeit der Prozesse sichergestellt werden, wozu sich die Gasphasensynthese besonders eignet.

Hier setzt die Vision der Forschergruppe an: Auf Basis des Verständnisses der elementaren Schritte von Prekursorchemie, Partikelentstehung, Partikel‐Partikel‐Interaktion und In‐situ‐Funktionalisierung werden Designregeln für Syntheseverfahren und ‐reaktoren entwickelt und demonstriert, die eine maßgeschneiderte Synthese, Modifizierung und Strukturierung von Nanopartikeln in der Gasphase ermöglichen. Exemplarisch werden zwei Materialsysteme untersucht: Komposite auf Basis von Eisen‐ und Eisenoxid‐Nanopartikeln und strukturierte Siliziumpartikel und Nanokomposite. Da der Schwerpunkt der Forschergruppe auf der Kombination von Analyse, Modellbildung und Simulation liegt, werden sequenziell Materialien und Prozesse mit einer Steigerung der Komplexität untersucht. So werden auf jeder Zwischenstufe eine Rückkopplung mit dem Experiment und eine Validierung der entwickelten Simulationen und Designregeln sichergestellt.

Das Vorhaben erschließt nicht nur die Erzeugbarkeit neuer Materialvariationen, sondern zielt dabei auf die Entwicklung von skalierfähigen Prozessen und wissenschaftlich fundierten, validierten Simulationsverfahren, die wesentliche Grundlagen für eine zuverlässige Nutzung von hochspezifischen funktionalen Nanopartikelensembles und deren industrielle Anwendung sind.