17.12.2019 - Tokyo Institute of Technology

Durchbruch in der Nanowissenschaft: Untersuchung von Partikeln kleiner als ein Milliardstel Meter

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) entwickelten eine neue Methode, mit der Forscher die chemische Zusammensetzung und Struktur von metallischen Partikeln mit einem Durchmesser von nur 0,5 bis 2 nm beurteilen können. Dieser Durchbruch in der Analysetechnik wird die Entwicklung und Anwendung kleinster Materialien in den Bereichen Elektronik, Biomedizin, Chemie und mehr ermöglichen.

Die Erforschung und Entwicklung neuartiger Materialien hat unzählige technologische Durchbrüche ermöglicht und ist in den meisten Wissenschaftsbereichen unerlässlich, von der Medizin über die Biotechnik bis hin zur modernen Elektronik. Das rationelle Design und die Analyse innovativer Materialien auf nanoskopischer Ebene ermöglicht es uns, die Grenzen früherer Geräte und Methoden zu überschreiten, um ein beispielloses Maß an Effizienz und neue Fähigkeiten zu erreichen. Dies gilt für Metallnanopartikel, die aufgrund ihrer vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten derzeit im Rampenlicht der modernen Forschung stehen. Ein neu entwickeltes Syntheseverfahren unter Verwendung von Dendrimermolekülen als Vorlage ermöglicht es Forschern, metallische Nanokristalle mit Durchmessern von 0,5 bis 2 nm (Milliardstel Meter) herzustellen. Diese unglaublich kleinen Partikel, die so genannten "Subnano-Cluster" (SNCs), haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, wie z.B. ausgezeichnete Katalysatoren für (elektro)chemische Reaktionen und weisen besondere Quantenphänomene auf, die sehr empfindlich auf Veränderungen in der Anzahl der Atome der Cluster reagieren.

Leider sind die bestehenden analytischen Methoden zur Untersuchung der Struktur von nanoskaligen Materialien und Partikeln für die SNC-Detektion nicht geeignet. Ein solches Verfahren, die Ramanspektroskopie genannt, besteht darin, eine Probe mit einem Laser zu bestrahlen und die resultierenden gestreuten Spektren zu analysieren, um einen molekularen Fingerabdruck oder ein Profil der möglichen Komponenten des Materials zu erhalten. Obwohl die traditionelle Raman-Spektroskopie und ihre Varianten für Forscher von unschätzbarem Wert waren, können sie aufgrund ihrer geringen Empfindlichkeit immer noch nicht für SNCs eingesetzt werden. Daher untersuchte ein Forschungsteam von Tokyo Tech, darunter Dr. Akiyoshi Kuzume, Prof. Kimihisa Yamamoto und Kollegen, wie man die Ramanspektroskopie-Messungen verbessern und für die SNC-Analyse kompetent machen kann.

Eine besondere Art der Ramanspektroskopie wird als oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie bezeichnet. In seiner verfeinerten Variante werden der Probe Gold- und/oder Silber-Nanopartikel zugesetzt, die in einer inerten dünnen Siliziumdioxidhülle eingeschlossen sind, um optische Signale zu verstärken und damit die Empfindlichkeit der Technik zu erhöhen. Das Forschungsteam konzentrierte sich zunächst auf die theoretische Bestimmung ihrer optimalen Größe und Zusammensetzung, wobei 100-nm-Silber-Optikverstärker (fast doppelt so groß wie üblich) die Signale der an der porösen Silica-Schale haftenden SNCs stark verstärken können. "Diese spektroskopische Technik erzeugt selektiv Ramansignale von Substanzen, die sich in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche der optischen Verstärker befinden", erklärt Prof. Yamamoto. Um diese Ergebnisse zu testen, maßen sie die Ramanspektren von Zinnoxid-SNCs, um zu sehen, ob sie in ihrer strukturellen oder chemischen Zusammensetzung eine Erklärung für ihre unerklärlich hohe katalytische Aktivität bei bestimmten chemischen Reaktionen finden konnten. Durch den Vergleich ihrer Raman-Messungen mit Struktursimulationen und theoretischen Analysen fanden sie neue Erkenntnisse über die Struktur der Zinnoxid-SNCs und erklärten den Ursprung der atomar abhängigen spezifischen katalytischen Aktivität der Zinnoxid-SNCs.

Die in dieser Forschung verwendete Methodik könnte einen großen Einfluss auf die Entwicklung besserer Analysetechniken und subnanoskaliger Wissenschaften haben. "Das detaillierte Verständnis der physikalischen und chemischen Natur von Substanzen ermöglicht die rationelle Gestaltung von Subnanomaterialien für die praktische Anwendung. Hochempfindliche spektroskopische Methoden werden die Materialinnovation beschleunigen und die Subnanowissenschaften als interdisziplinäres Forschungsfeld fördern", so Prof. Yamamoto abschließend. Durchbrüche wie der von diesem Forschungsteam vorgestellte werden wesentlich sein, um den Anwendungsbereich von Subnanomaterialien in verschiedenen Bereichen wie Biosensoren, Elektronik und Katalysatoren zu erweitern.

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