Hochleistungs-UV-Laserfragmentierungssystem

• Fachliche Zuordnung: Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung in 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491146928

Die Dispersions-Prozessierungs-Methode der Laserfragmentierung ermöglicht es, kolloidale anorganische Nanopartikel im Größenbereich weniger Nanometer bis hin zu atomaren Clustern unter hochreinen Bedingungen ohne molekulare Stabilisatoren herzustellen. Das vom Antragsteller entwickelte Fluidfreistrahlverfahren erlaubt sowohl die Einstellung eines stationären Zustandes als auch die Quantifizierung der eingebrachten Energie. Bisher erfolgte die grundlegende Untersuchung der gepulsten Laserfragmentierung überwiegend am Modell der Goldnanopartikel. Weitere Studien an Oxiden weisen ebenfalls eine Steigerung der katalytischen Aktivität nach Größenreduktion nach, sind jedoch wegen der geringen Absorption der über bestehende Hochleistungslaser verfügbaren VIS-/IR-Laserpulse bezüglich des Durchsatzes stark begrenzt. UV-Laserpulse zeigen im Gegensatz dazu bei nahezu allen Nanopartikeln einen deutlich größeren Absorptionsquerschnitt. Durch deren Einsatz ist folglich eine deutlich effizientere und materialvariantere Erforschung der Laserfragmentierung möglich. Am Lehrstuhl verfügbare UV-Laser stellen durch deren zu geringe Laserleistung (<20 W) derzeit einen entscheidenden Flaschenhals dar. Mit dem bestehenden Equipment ist die Fragmentierung z.B. von Spinellen und Perowskiten, hochschmelzenden Hartstoffen (z.B. ZrB2, TiB2, TiC) oder nicht-plasmonischen Edelmetallen (z.B. Pt, Pd) und Hochentropielegierungen (z.B. Cantor-Alloy) nur in unzureichenden Mengengerüsten möglich. Die signifikante Durchsatzsteigerung besitzt sowohl aufgrund der Anwendungsperspektive, des Mengenbedarfs zur Funktionsprüfung (z.B. in der het. Katalyse oder im 3D-Druck) als auch durch die Kombination der Strahlquelle mit der kontinuierlichen Flachfreistrahl-Prozessierungstechnik erhebliches Forschungsfortschrittspotential. Die laserprozessierten Materialien finden in mehreren Forschungsprojekten des Antragstellers einschließlich koordinierten Programmen Anwendung. Das beantragte Hochleistungs-UV-Laserfragmentierungssystems nimmt damit eine Schlüsselstellung ein, welche eine Hebelwirkung auf das Forschungsspektrum am Lehrstuhl ausübt. Die Spezifikationen des Großgeräts sind anhand der in Grundlagen- und angewandten Forschungsprojekten relevanten Materialien und notwendigen Durchsätze definiert. Diese erfordern hochreine kolloidale Nanopartikel teils im Maßstab von 100 g. Entsprechend profitieren eine ganze Reihe der am Lehrstuhl laufenden Projekte von dem neuen Großgerät. Darüberhinaus werden weitere Projektansätze im Bereich des Laser-Powder-Bed-Fusion (mehrere kg nanoadditiviertes Mikropulver je Batch) sowie der Katalysatorentwicklung (mehrere Gramm Katalysatornanopartikel je Serie nötig) realisierbar. Die mit dem beantragten Gerät umsetzbare, kontinuierlich-betriebene Hochleistungs-UV-Laser-Prozessierungstechnologie von Dispersionen wird international ein Alleinstellungsmerkmal darstellen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Hochleistungs-UV-Laserfragmentierungssystem
• Gerätegruppe: 5740 Laser in der Fertigung
• Antragstellende Institution: Universität Duisburg-Essen
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Stephan Barcikowski