Dispergierung und Trennung von Nanomaterialien

• Antragstellerin: Professorin Dr. Claudia Backes
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 231514088

Auf Grund ihrer einzigartigen und vielversprechenden mechanischen und physikalischen Eigenschaften stehen Kohlenstoffalllotrope (sowohl 0-dimensionale Fullerene, als auch 1-dimensionale Kohlenstoffnanoröhren und 2-dimensionales Graphen) im Fokus der heutigen Nanotechnologie. Trotz der beträchtlichen Fortschritte in deren Dispergierung, Funktionalisierung, Trennung und Charakterisierung konnte das erstaunliche Eigenschaftsprofil dieser Materialien bis heute noch nicht in industrielle Anwendungen überführt werden. Die Identifikation von vielversprechenden neuen Materialklassen ist demnach weiterhin von breitem Interesse - sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für die Industrie. Derzeit erleben anorganische Schichtmaterialien, wie z.B. Bornitrid oder Übergangsmetall Chalcogenide und Oxide eine Renaissance, da sie das komplette Spektrum der elektronischen Eigenschaften von isolierend über halbleitend zu metallisch erfassen. Wie bereits in der Literatur zum Teil beschrieben, sind diese Substanzklassen hochattraktiv für elektronische Anwendungen (metallische Materialien als transparente Elektroden, halbleitende als Komponenten in Transistoren, oder Isolatoren als Dielektrika in Kondensatoren). Desweiteren sind sie in Kombination mit Kohlenstoffnanoröhren ein idealer Baustein für thermoelektrische Anwendungen, Superkondensatoren oder Lithium-Ionen Batterien und können damit einen großen Beitrag zum heutigen Schwerpunktthema Energiespeicherung leisten.Die Grundvoraussetzung für technische Anwendungen liegt, wie bei allen Materialien, in der einfachen Prozessierbarkeit aus der flüssigen Phase. Ähnlich wie bei Kohlenstoffallotropen, stellte jedoch bisher auch für die anorganischen Nanomaterialien, dieser erster Schlüsselschritt in der Prozesskette eine unüberwindbare Hürde dar. In 2011 konnte die Gruppe von Jonathan Coleman jedoch in ihren bahnbrechenden Arbeiten zeigen, dass eine Dispergierung der anorganischen Schichtmaterialien durch ähnliche Prinzipien und Ansätze möglich ist, wie sie auch bereits für die Kohlenstoffallotrope erarbeitet wurden. Diese erste Demonstration der nasschemischen Exfoliierung der einzelnen Schichten ist sicherlich ein wegbereitender Schritt um das herausragende Eigenschaftportfolio zugänglich zu machen. Mit diesem Antrag sollen durch systematische Dispergierungs- und Exfoliierungsstudien vereinheitlichende Grundprinzipien weiter aufgedeckt werden. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der nichtkovalenten, chemischen Funktionalisierung der Nanomaterialien durch geeignete Additive und Stabilisatoren in wässrigen Medien. Desweiteren wird erstmals eine Trennung der dispergierten Materialien nach Lagenanzahl und lateraler Ausdehnung mittels ausgefeilter Zentrifugationstechniken anvisiert - eine weitere Voraussetzung für die effiziente Nutzung der anorganischen Nanomaterialien.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Irland
• Gastgeber: Professor Jonathan Coleman, Ph.D.