Mechanistische Untersuchung der Nanopartikelbildung während des Laserstrahlabtragens in Flüssigkeit mit neuartigen Röntgenmethoden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski; Privatdozent Dr. Anton Plech
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262558940

Wenngleich die Synthese von Kolloiden mittels gepulster Laserablation in Flüssigkeiten ein auf internationaler Ebene wachsendes Forschungsfeld darstellt, sind die Partikelbildung und die Mechanismen, welche die Partikelgröße definieren, noch immer nur teilweise verstanden. Während der ersten Projektphase konnten wir zum ersten Mal die laserinduzierte Kavitationsblase und den Ablationsprozess mittels Röntgenradiographie beobachten. Dabei wurden äußerst interessante Phänomene während der Oszillation der Kavitationsblase enthüllt. Durch in situ SAXS-Messungen konnte gezeigt werden, dass das Quenching des Partikelwachstums in der Kavitationsblase stattfindet, wobei die geänderten Partikeleigenschaften auch durch ex situ Messungen bestätigt wurden. Während der beantragten 12-monatigen Förderperiode zur Finalisierung des Projektes, planen wir die räumliche und zeitliche Verteilung von Nanopartikeln innerhalb der lasergenerierten Kavitationsblase während des Partikel-Quenching weiter zu erforschen. Insbesondere die breite, oftmals bimodale Größenverteilung, welche wir während der Ablation mit Nanosekunden-Laserpulsen zeigen konnten, ist bei der Verwendung von Pikosekunden-Laserpulsen noch deutlich stärker ausgeprägt. Solche kürzeren Pulsdauern sind vielversprechend in Bezug auf die Maximierung der Ausbeute bei der gepulsten Laserablation in Flüssigkeiten. Wir planen diese bimodale Größenverteilung mit einem Portfolio aus zeitlich- und örtlich auflösenden Methoden zu untersuchen, darunter Röntgenbildgebung und SAXS als komplementäre Methoden. Durch die Entwicklung eines Multimoden-Röntgenbildgebungsverfahren ist es uns möglich zwischen Absorptions-, Phasen- und Dunkelfeld-Kontrast zu unterscheiden, wobei der letztgenannte insbesondere auf die Partikelfraktion sensitiv ist, welche große Nanopartikel enthält. Dies erlaubt die zeit- und ortsaufgelöste Untersuchung der Verteilung von Partikeln während des hierarchisch strukturierten Ablationsprozesses, besonders während der Wirkung von Liganden. Die Effizienz der Röntgenbildgebung wird durch die erstmalige Verwendung einer Shack-Hartmann-Maske weiter erhöht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Tilo Baumbach