Diffusion von Wasser-, Diethylenglykol- und Zitratmolekülen auf Eisenoxid-Nanopartikeloberflächen via Quasielastischer Neutronenstreuung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Mirijam Zobel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457807997

Eisenoxid-NP und ihre Mischferrite sind von zunehmenden Interesse in z.B. der heterogenen Katalyse oder Biomedizin, und Fest-flüssig-Grenzflächen sind in vielen Anwendungen allgegenwärtig. Die experimentelle Charakterisierung dieser Grenzflächen ist jedoch herausfordernd, da der Beitrag des Volumensignals oft das Grenzflächensignal dominiert. Obwohl der Einfluss von Größen- oder Verspannungseffekten der Festkörperstruktur des NPs auf seine Eigenschaften schon länger erforscht wird, werden die flüssigkeitsseitigen Phänomene vergleichsweise selten adressiert. Mit Röntgenabsorptions- und Raman-Spektroskopie wurden beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerke in NP-Dispersionen untersucht, und mittels Paarverteilungsfunktionsanalyse von Röntgenbeugungsdaten erlangten wir Einblicke in die Struktur restrukturierter Hydrathüllen um 7–15 nm große Eisenoxid-NP.Da Restrukturierung mit veränderten dynamischen Eigenschaften einhergeht, soll dieses Projekt unsere strukturellen Arbeiten um dynamische Aspekte ergänzen. Die Relaxationszeiten von Rotations- und Translationsdiffusion von Wassermolekülen um Ionen in Lösung unterscheiden sich von denen in Volumenwasser, so dass auch veränderte dynamische Eigenschaften von Wassermolekülen an NP-Oberflächen zu erwarten sind. Mit quasielastischer Neutronenstreuung (QENS) können dynamische Prozesse einzelner Moleküle im Orts- und Zeitraum auf Zeitskalen von 10-13 bis 10-7 s erfasst werden, was üblichen Relaxationszeiten von Diffusionsprozessen entspricht. Dieses Projekt hat das Ziel QENS zur Charakterisierung der Dynamik von Wasser- und Ligandenmolekülen auf Oberflächen von Eisenoxid-NP zu etablieren. Mit einer bekannten Synthese sollen 7 nm große Eisenoxid-NP hergestellt und deren Struktur, sowie Stabilität in einem größeren Temperatur- und Luftfeuchtebereich umfänglich charakterisiert werden, u.a. mit XRD/PDF, CHN, TGA, TEM, SQUID. Wasseradsorptionsisothermen als Funktion der relativen Luftfeuchte werden erlauben nominell trockene Pulver, sowie verschiedene Anzahlen an Wasserlagen auf den NPs einzustellen. Pulver von unbedeckten, Diethylenglykol- und Zitrat-bedeckten Eisenoxid-NPs mit definiertem Wassergehalt werden an Rückstreu- und Flugzeitspektrometern an Neutronenquellen gemessen, um die luftfeuchte-abhängigen Diffusionsmodi zu charakterisieren. Aus den QENS-Daten können die Diffusionsarten von Wasser- und Ligandenmolekülen auf den NP, wie Translations-, Rotationsdiffusion oder komplexere Modi, abgeleitet werden. Temperaturabhängige Messungen erlauben Zugang zu den Aktivierungsenergien der Bewegungen. Durch das Projekt wird daher ein tieferes Verständnis der Dynamik von Wasser- und Ligandenmolekülen um Eisenoxid-NP erzielt, was von Relevanz ist für Nanomaterialien, Mineralogie oder Katalyse. Gerade der Aspekt der Diffusionsdynamik von Ligandenmolekülen an NP-Grenzflächen ist bislang kaum experimentell adressiert, aber von großer Bedeutung hinsichtlich der Synthese und Langzeitstabilität von NP-Dispersionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen