30 Juni Wie Nanopartikel im Laserprozess entstehen
Nanopartikel spielen eine wichtige Rolle beispielsweise in der Katalyse, Energietechnik und biomedizinischer Bildgebung. In einer kooperativen Promotion zwischen der Hochschule München (HM) und der Universität Duisburg-Essen hat Maximilian Spellauge die grundlegenden Mechanismen der laserbasierten Nanopartikelherstellung untersucht und dabei neue Erkenntnisse zur Prozessführung und Effizienz gewonnen.
Im Rahmen seiner Arbeit hat Spellauge die Laserabtragung von Gold in Flüssigkeit sowie die Fragmentierung von Goldmikropartikeln systematisch analysiert. Dabei erreichte der Forschende für die Laserabtragung nach eigenen Angaben eine leistungsspezifische Produktivität von 75 mg/h/W. Der bislang veröffentlichte Bestwert lag laut Spellauge bei 21 mg/h/W. Für die Fragmentierung einzelner Goldmikropartikel wurden Werte von bis zu 720 mg/h/W erzielt.
Prozessanalyse mittels Pump-Probe-Mikroskopie
Um störende Einflüsse durch Blasenbildung oder bereits erzeugte Partikel auszuschließen, führte der Forscher Laser-Einzelpuls-Experimente unter kontrollierten Bedingungen durch. Messungen von Transmission und Reflexion lieferten Daten zur tatsächlich absorbierten Energie. Mithilfe der Pump-Probe-Mikroskopie konnte die Laser-Materie-Wechselwirkung über Zeiträume von Pikosekunden bis Millisekunden verfolgt werden.
Bei der Ablation von Gold in Flüssigkeit wurden zwei Mechanismen der Nanopartikelbildung nachgewiesen. Verdampftes Material kondensiert zu sehr kleinen Partikeln mit Durchmessern unter zehn Nanometern. Gleichzeitig entstehen größere Partikel im Bereich mehrerer zehn Nanometer durch den Zerfall einer mechanisch gelösten Oberflächenschicht.
Rund zwei Prozent der absorbierten Energie wurden bei der Fragmentierung in neue Partikeloberflächen umgesetzt, gegenüber lediglich 0,1 % bei der Ablation von Festkörpern. „Die Ergebnisse zeigen, dass die Fragmentierung einzelner Partikel energetisch deutlich effizienter ist als die Ablation eines Festkörpers in Flüssigkeit. Zugleich wird klar, welche physikalischen Mechanismen die Partikelgröße bestimmen – und wie wir diese künftig gezielt beeinflussen können“, sagt Spellauge.
Ansätze für die Prozessoptimierung
Aus den Ergebnissen ergeben sich konkrete Ansätze zur Prozessoptimierung. Bei der Ablation in Flüssigkeit können eine Pulsaufspaltung oder verlängerte Pulsdauern die Produktivität erhöhen und die Partikelgrößenverteilung verbessern. Für die Fragmentierung erweisen sich die räumliche Formung und Teilung des Laserstrahls als vielversprechend, um Produktivität und Größenkontrolle weiter zu steigern. Künftige Arbeiten sollen die Partikelentstehung zeitaufgelöst beobachten und experimentelle Daten mit numerischen Simulationen verknüpfen.
Da die laserbasierte Nanopartikelherstellung ohne chemische Zusätze auskommt, entspricht sie den Prinzipien der Grünen Chemie. Mögliche Anwendungen sieht Spellauge insbesondere in der Katalyse und der nachhaltigen Energietechnik.
Kooperationspartner
Die Ergebnisse entstanden an der Hochschule München und der Universität Duisburg-Essen in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Maximilian Spellauge ist heute als Postdoktorand an der Hochschule München tätig.
Originalveröffentlichung:
[M. Spellauge: Laser-based nanoparticle generation in liquids: mechanistic insights for advancing size control and process efficiency; 2026, https://doi.org/10.17185/duepublico/84959]
Quelle: www.hm.edu
Bild: Louis Dickhaut