Clusterübergittermembranen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Werner Michely
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452340798

Clusterübergittermembranen sind eine neue Klasse von zweidimensionalen (2D) Materialien. Eine solche Membrane besteht aus Clustern in einer regelmäßig hexagonalen 2D Anordnung mit einer Gitterkonstante von 2-4 nm. Dieses Clustergitter besitzt atomare Genauigkeit, aber ist von größerer als atomarer Gitterkonstante, und daher ein Übergitter. Das Clusterübergitter befindet sich zwischen einer einkristallinen 2D Lage von atomarer Dicke und einer einbettenden Matrix von nm-Dicke, so dass die Matrix zusammen mit den Clustern und der 2D Lage eine mechanisch stabile Folie mit bis zu mm Ausdehnung bildet. Die mechanische Integrität der Membrane ermöglicht den Transfer vom Muttersubstrat auf ein anderes Substrat oder die Verwendung als freistehende Membrane. Die Cluster der Membrane sind in der Größe vom Grenzfall des einzelnen Atoms bis zu etwa 400 Atomen einstellbar. Die vorgeschlagene Forschung mit diesen Membranen hat drei Ziele. Erstes Ziel ist es, die Herstellung der Membranen weiterzuentwickeln, um Materialien in großer Vielfalt zu erhalten. Das wird die Herstellung offener Membranen beinhalten, so dass Cluster mit der Umgebung wechselwirken können, wie es beispielsweise in der Elektrokatalyse notwendig ist. Ein Nachwachsen der Cluster in der Membran oder etwa die Kombination einer offenen Membran mit einem zusätzlichen metallischen Film wird das Anwendungspotential in Richtung von nanomagnetischen Untersuchungen erweitern. Realisierung von Membranen mit Oxiden als Matrix wird Zugang zu optischen Eigenschaften und elektrischen Transporteigenschaften ermöglichen, sowie heterogene Katalyse bei erhöhten Temperaturen erlauben. Zweitens werden die Eigenschaften der Membranen sorgfältig untersucht, darunter ihre Dichtigkeit und Stabilität unter rauen Umgebungsbedingungen. Von besonderem Interesse ist das Hochtemperaturverhalten der Membranen. Hierfür wird eine ausgezeichnete Stabilität gegenüber dem Sintern von Clustern vorausgesagt, welche eine Unterdrückung der Smoluchowski Reifung und eine inverse Ostwald Reifung beinhaltet. Drittens wird das Potential dieser Clusterübergittermembranen für die Grundlagenforschung exemplarisch demonstriert. Dazu werden Membranen mit magnetischen Clustern hergestellt und die magnetische Wechselwirkung der Cluster untersucht. Die Hohlräume der Membranen, die die Cluster beherbergen, werden als Reaktoren für Phasenumwandlungen genutzt, die andernfalls nicht möglich wären. Schließlich werden offene Edelmetallclusterübergittermembranen in einer Kohlenstoff- oder Oxidmatrix für katalytische Anwendungen in Flüssigkeiten und Gasen getestet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kroatien, Österreich, Schweden
• Kooperationspartner: Dr. Jan Knudsen; Professor Dr. Jani Kotakoski; Dr. Marko Kralj