Mikroskopische Einsicht der ersten Schritte in das Goldnanostäbchen-Wachstum mit atomistischen Simulationen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Marialore Sulpizi
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224647376

In diesem Projekt wollen wir eine mikroskopische Einsicht in den Beginn des Gold-Nanostäbchen-Wachstums mit einer atomistischen Simulation erzielen. Der innovative Aspekt dabei ist die atomistische Beschreibung der Oberfläche der Gold-Nanopartikel und deren Wechselwirkung mit der Elektrolyt-Lösung, in der sie verteilt sind, nämlich mit Lösemittel-Molekülen, Tensiden und Ionen.Ein wesentliches Ziel in der Materialwissenschaft ist das Design und die Synthese von Materialien mit maßgeschneiderter Form und Größe. Nanoskopische metallische Partikel weisen eine Vielzahl von funktionalen Eigenschaften mit vielversprechenden Anwendungen in der Elektronik, Photonik, biologisch inspirierte Nanokomposite, (bio-)chemischen Sensorik sowie Bildgebung und Drug Delivery auf. Der grundlegende Schritt, um die Form von Metall-Nanopartikeln zu kontrollieren, ist das mikroskopische Verständnis des Kristallwachstums. Die Kristallisation ist ein Nicht-Gleichgewichts-Prozess und Diffusion, Aktivierungsbarrieren, Oberflächenenergien und Kinetik der Adsorption auf einer bestimmten Kristallfläche, die die Form der resultierenden Partikel beeinflussen, bieten eine noch offene Herausforderung für Physiker und Chemiker. Die Partikelmorphologie und Kristallstruktur werden durch einen komplexen und derzeit schlecht verstandenen Prozess mit organischen Tensiden und Metall-/Halogenidionen Konzentration kontrolliert.Das Wachstum eines stäbchenförmigen Partikels impliziert, dass die Spitzen mit einer schnelleren Rate als die Seiten wachsen. Verschiedene Wachstumsmechanismen wurden vorgeschlagen, um das Wachstum von Gold-Nanostäbchen in Lösung zu erklären. Unter den verschiedenen Vorschlägen ist das Zusammenspiel von sterischen und chemischen Faktoren, einschließlich der spezifischen Interaktion der Metalloberflächen mit den Tensiden. Die Fragen, die wir ansprechen möchten, sind:- Mizellbildung des Tensids, mit besonderem Schwerpunkt auf dem Ionen-Lademechanismus und das z-Potential, das die Mizellen ausbilden;- Packung des Tensids als Doppelschicht auf der Metalloberfläche, insbesondere die Rolle der Packung für die verschiedenen Facetten;- die elektrostatische Doppelschicht: Wir würden gerne (i) die Gegenionen-Verteilung und (ii) den Potentialabfall über die Grenzschicht verstehen und dabei die unterschiedlichen Potenziale für die unterschiedlichen Oberflächen vergleichen;- Beschreibung des Diffusions-Mechanismus über die Doppelschicht, insbesondere wollen wir die Wechselwirkung zwischen der Tensid-Doppelschicht und an Mizellen gebundenen Gold-Ionen untersuchen.Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit der Experimentalgruppe durchgeführt werden. Mit gleichzeitiger optischer Spektroskopie und zeitaufgelöste Röntgenstreuung im kleinen Winkel an einer Synchrotron-Röntgenquelle können sie direkt die anisotrope Wachstumskinetik von Gold- und Gold-Kupfer-Nanostäbchen überwachen und das Wachstumsparameter für beide Kristallrichtungen unabhängig extrahieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Carsten Sönnichsen