Untersuchung des Verhaltens von in Nanoröhren eingeschlossener Fluide

• Antragsteller: Dr. Matthias Kühne
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440560474

Das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen (Fluiden) ändert sich stark, wenn diese auf immer engerem Raum eingeschlossen werden. Zum Beispiel wird eine stetig zunehmende Erniedrigung des Schmelzpunktes beobachtet, die aus dem wichtiger werdenden Beitrag der Grenzflächenenergie resultiert. Erreicht die charakteristische Größe des Einschlusses allerdings die Nanometerskala, tritt ein radikal neues Bild zutage. Denn hier wird relevant, woraus das Fluid eigentlich besteht: nämlich aus Atomen, Molekülen, und/oder Ionen. Das Verhalten von Fluiden auf der Nanometerskala ist bisher nicht ausreichend verstanden. Das gilt sogar für Wasser. Zum Beispiel können im Inneren von Kohlenstoffnanoröhren exotische Eisphasen mit Schmelzpunkten oberhalb von null Grad Celsius stabilisiert werden. Auch hat man reibungslosen Wassertransport durch Kohlenstoffnanoröhren festgestellt, was jedoch nicht für die nahe verwandten Bornitrid-Nanoröhren gilt. Derzeit gibt es keine konsistente, universell anwendbare Theorie, die solche Beobachtungen zufriedenstellend beschreibt. Aber auch systematische, experimentelle Untersuchungen des Verhaltens von Fluiden in einzelnen, wohlcharakterisierten Nanoporen oder –kanälen sind rar.Ziel des Projektes ist es, das Phasenverhalten von Fluiden im Inneren individueller Nanoröhren experimentell festzustellen. Dabei soll in einem ersten Schritt zunächst Wasser untersucht werden, später jedoch auch andere Fluide wie Cyclohexan, n-Hexadecan und ionische Flüssigkeiten. Sowohl Kohlenstoff- als auch Bornitrid-Nanoröhren werden verwendet, die trotz ihrer strukturellen Ähnlichkeit unterschiedliches Verhalten eines eingeschlossenen Fluids erwarten lassen. Experimentelle Ergebnisse werden mit der vorhandenen Literatur verglichen, um verschiedene Modellierungsmethoden zu prüfen und neue theoretische Ansätze zu motivieren.Im Fall von Kohlenstoffnanoröhren werden Raman- sowie Photolumineszenzspektroskopie zusammen mit elektrischen Messungen verwendet, um Fluidphasen in einzelnen, freitragenden Nanoröhren hoher Qualität zu untersuchen. Transmissionselektronenmikroskopie wird als komplementäre Charakterisierungsmethode eingesetzt. Neben der systematischen Feststellung der Abhängigkeit optischer Eigenschaften vom Durchmesser der Nanoröhren sowie von Füllzustand, Temperatur und Druck gilt es, die temperaturabhängige spezifische Wärme von gefüllten und ungefüllten Nanoröhren zu bestimmen.Im Fall von Bornitrid-Nanoröhren werden zunächst aus kommerziell erhältlichem Ausgangsmaterial Dispersionen hergestellt, um Nanoröhren zu purifizieren und zu isolieren. Diese sollen im Anschluss optisch untersucht werden, insbesondere hinsichtlich der Photolumineszenz von Defekten. In planarem, hexagonalen Bornitrid gewinnen Defektzustände als Einzelphotonenquellen Bedeutung, sind in Nanoröhren jedoch wenig untersucht. Es soll ein besseres Verständnis dieser Defektzustände erreicht und diese als Sensoren für ein Fluid verwendet werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Michael Strano