Che si tratti di materiali innovativi ad alta tecnologia, chip per computer più potenti, farmaceutici o nel campo delle energie rinnovabili, le nanoparticelle costituiscono la base per tutta una serie di nuovi sviluppi tecnologici. Per le leggi della meccanica quantistica, tali particelle che misurano solo pochi milionesimi di millimetro possono comportarsi in modo completamente diverso in termini di conduttività, ottica o robustezza rispetto allo stesso materiale su scala macroscopica. Inoltre, nanoparticelle o nanocluster hanno un'area superficiale cataliticamente efficace molto grande rispetto al loro volume. Per molte applicazioni ciò consente un risparmio di materiale pur mantenendo le stesse prestazioni.

I ricercatori dell'Istituto di fisica sperimentale (IEP) dell'Università di tecnologia di Graz hanno sviluppato un metodo per assemblare i nanomateriali come desiderato. Lasciano che goccioline di elio superfluido con una temperatura interna di 0,4 Kelvin (cioè meno 273 gradi Celsius) volino attraverso una camera a vuoto e introducono selettivamente singoli atomi o molecole in queste goccioline. "Là, si fondono in un nuovo aggregato e possono depositarsi su diversi substrati, " spiega il fisico sperimentale Wolfgang Ernst della TU Graz. Da venticinque anni lavora a questa cosiddetta sintesi di goccioline di elio, lo ha successivamente sviluppato ulteriormente durante questo periodo, e ha prodotto una continua ricerca ai massimi livelli internazionali, principalmente eseguita in "Cluster Lab 3, " che è stato istituito appositamente per questo scopo presso il PEI.

Rinforzo delle proprietà catalitiche

In Nano ricerca , Ernst e il suo team ora riferiscono sulla formazione mirata dei cosiddetti cluster core-shell utilizzando la sintesi di goccioline di elio. I cluster hanno un nucleo di 3 nanometri di argento e un guscio di 1,5 nanometri di ossido di zinco. L'ossido di zinco è un semiconduttore che viene utilizzato, Per esempio, nei rivelatori di radiazioni per la misurazione della radiazione elettromagnetica o nei fotocatalizzatori per l'abbattimento degli inquinanti organici. La particolarità della combinazione di materiali è che il nucleo d'argento fornisce una risonanza plasmonica, cioè assorbe la luce e quindi provoca un'elevata amplificazione del campo luminoso. Questo mette gli elettroni in uno stato eccitato nell'ossido di zinco circostante, formando così coppie elettrone-lacuna, piccole porzioni di energia che possono essere usate altrove per reazioni chimiche, come i processi di catalisi direttamente sulla superficie del cluster. "La combinazione delle due proprietà del materiale aumenta immensamente l'efficienza dei fotocatalizzatori. Inoltre, sarebbe concepibile utilizzare un tale materiale nella scissione dell'acqua per la produzione di idrogeno, "dice Ernesto, nominare un campo di applicazione.

Nanoparticelle per sensori laser e magnetici

Oltre alla combinazione argento-ossido di zinco, i ricercatori hanno prodotto altri interessanti cluster nucleo-guscio con un nucleo magnetico degli elementi ferro, cobalto o nichel e un guscio d'oro. L'oro ha anche un effetto plasmonico e protegge anche il nucleo magnetico dall'ossidazione indesiderata. Questi nanocluster possono essere influenzati e controllati sia da laser che da campi magnetici esterni e sono adatti a tecnologie di sensori, Per esempio. Per queste combinazioni di materiali, le misurazioni della stabilità dipendenti dalla temperatura e i calcoli teorici sono stati effettuati in collaborazione con il gruppo di teoria IEP guidato da Andreas Hauser e il team di Maria Pilar de Lara Castells (Istituto di fisica fondamentale presso il Consiglio nazionale delle ricerche spagnolo CSIC, Madrid) e può spiegare il comportamento alle transizioni di fase come la formazione di leghe che si discosta dai campioni di materiale macroscopico. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale di chimica fisica .

Ernst ora spera che i risultati degli esperimenti vengano rapidamente trasferiti in nuovi catalizzatori "il prima possibile".